Hochvoltkathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

Mit zunehmendem technologischen Fortschritt, sowie der politischen Unterstützung für Elektrofahrzeuge wird die Bedeutung für Lithium-Ionen-Batterien (LIB) weiter steigen. Zur Reduzierung der Umweltverschmutzung und Entlastung der Energiekrise ist es notwendig, die Technologie im Batteriesektor weiterzuentwickeln. Hochvoltkathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien bilden dabei einen Schlüsselfaktor, da sie eine sehr hohe Energie- und Leistungsdichte haben. Ein geeignetes Material für Hochvoltkathoden in LIBs ist zum Beispiel LiNi_0.5Mn_1.5O₄ (LNMO). LNMO ist ein Spinel, was ein Oxidationsplateau von ~ 4,7 V vs. Li/Li⁺ aufzeigt, kostengünstig in der Herstellung ist, eine spezifische Kapazität von 147 mAh/g und eine hohe Leistungsdichte hat. Es gilt aber noch einige Herausforderungen zu lösen, bevor LNMO als Kathodenmaterial in kommerziellen Batterien eingesetzt werden kann. Es besteht das Problem der geringen Langlebigkeit und Zyklenstabilität im Vergleich zu anderen Kathodenmaterialien, wie z.B. LiNi_xMn_yCo_zO₂ (NMC) oder LiFePO₄ (LFP), welche nach ca. 5000 Zyklen noch über 80 % ihrer Ausgangskapazität aufweisen.

In unserer Forschungsarbeit an LNMO versuchen wir die grundlegende Chemie und Strukturveränderung während des Lade- und Entladeprozesses zu verstehen. Die eingesetzten Analysemethoden sind unter anderem elektrochemische Impedanzspektroskopie, Ramanspektroksopie, Sekundärionenmassenspektrometrie und Röntgendiffraktometrie. Neben ex-situ Untersuchungen an den Kathoden führen wir auch in-operando Messungen mit Hilfe einer optischen Batteriezelle (siehe Abbildung 1) durch. Dabei wird die Kathode elektrochemisch zyklisiert und gleichzeitig mittels Ramanspektroskopie untersucht. Mit dieser Methode ist es möglich, die Strukturveränderung im Kathodenmaterial simultan zum Potential zu messen. Dadurch kann ein besseres Verständnis zu den vorliegenden Mechanismen erlangt werden. Die optische Messzelle ist von unten nach oben folgenderweise aufgebaut: Kathodenmaterial auf Aluminiumfolie, Separator, metallisches Lithium auf Streckmetall und Saphirglas.

Neben der Veränderung der Struktur des Aktivmaterials wird untersucht, ob sich eine Deckschicht auf der Kathodenoberfläche bildet und diese damit eine Ionenblockade verursacht. Es wird vermutet, dass sich bei hohen Oxidationspotentialen eine Kathodendeckschicht ausbildet, welche bislang nur auf Anodenseite bekannt ist.