Forscher des Argonne National Laboratory und der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago haben kürzlich in Nature Nanotechnology eine Studie veröffentlicht, die die Ursachen für Risse und Leistungsabfall in Materialien der nächsten Generation für Batterien aufdeckt. Die Studie entdeckte einen bisher unbekannten Versagensmechanismus in einkristallinen, nickelreichen, geschichteten Oxidkathoden, der sich von den herkömmlichen Vorstellungen unterscheidet, und liefert neue Ansätze für die Entwicklung sichererer und langlebigerer Elektrofahrzeugbatterien.
Seit langem bemühen sich Ingenieure, das Problem von Rissen in polykristallinen, nickelreichen Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien zu lösen, die durch Lade- und Entladezyklen entstehen. Um diesen Nachteil zu umgehen, ist die Industrie zu einkristallinen Materialien ohne innere Korngrenzen übergegangen, deren tatsächliche Leistung jedoch nicht stabil ist. Das Forschungsteam stellte fest, dass die zuvor für polykristalline Materialien entwickelten Designprinzipien fälschlicherweise auf einkristalline Materialien angewendet wurden, was den Kern des Problems darstellt. Khalil Amine, einer der korrespondierenden Autoren und Distinguished Fellow am Argonne National Laboratory, sagte: „Die Elektrifizierung der Gesellschaft erfordert die Beteiligung aller. Wenn die Menschen nicht an die Sicherheit und Langlebigkeit von Batterien glauben, werden sie sich nicht für ihre Nutzung entscheiden.“
Die Hauptautorin der Studie, Postdoktorandin Jing Wang, wies darauf hin: „Bei dem Versuch, auf einkristalline Kathoden umzusteigen, hat man weiterhin ähnliche Designprinzipien wie bei polykristallinen Kathoden befolgt. Unsere Forschung zeigt, dass der Hauptabbaumechanismus in einkristallinen Partikeln anders ist als in polykristallinen Partikeln, was zu unterschiedlichen Anforderungen an ihre Zusammensetzung führt.“ Mithilfe von Synchrotron-Röntgenstrahlen und hochauflösender Elektronenmikroskopie beobachtete das Team ungleichmäßige Reaktionen innerhalb der einkristallinen Partikel. Die daraus resultierenden inneren Spannungen können Risse verursachen, was sich grundlegend vom Versagensmodus in polykristallinen Materialien unterscheidet, bei dem sich Korngrenzen ausweiten.
Besonders entscheidend ist, dass die Forschungsergebnisse die herkömmlichen Vorstellungen über die Rolle der Elemente Kobalt und Mangan in Frage stellen. In einkristallinen Kathoden verschlimmert Mangan tatsächlich mechanische Schäden, während Kobalt zur Verbesserung der Haltbarkeit beiträgt. Tongchao Liu, Mitautor der Studie und Chemiker am Argonne National Laboratory, sagte: „Wir haben gezeigt, dass der Abbau von einkristallinen NMC-Kathodenmaterialien hauptsächlich durch einen einzigartigen mechanischen Versagensmechanismus gesteuert wird. Durch die Identifizierung dieses bisher nicht ausreichend beachteten Mechanismus stellt diese Arbeit eine direkte Verbindung zwischen Materialzusammensetzung und Abbauweg her.“ Diese Entdeckung bedeutet, dass für einkristalline Batteriematerialien völlig neue Strategien für die Zusammensetzung erforderlich sind.
Diese gemeinsame Forschungsarbeit weist den Weg für die zukünftige Entwicklung von Kathoden für Elektrofahrzeugbatterien. Das Team wird als nächstes kostengünstigere Materialien erforschen, um die Batterietechnologie voranzutreiben und gleichzeitig die Leistung zu gewährleisten.
