Forscher der University of Arkansas haben eine neue Nanobeschichtungstechnologie entwickelt, die die Zyklenleistung von Lithium-Ionen-Batterien effektiv verbessern kann. Die Studie wurde von Henry Meng, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der University of Arkansas, geleitet, und die zugehörigen Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Small“ veröffentlicht.
Das Forschungsteam konzentrierte sich auf Kathodenmaterialien aus geschichteten Metalloxiden, insbesondere auf Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid mit der Bezeichnung NMC811. Dieses Material steht aufgrund seiner geringeren Kosten und höheren Energiedichte im Fokus, setzt jedoch während des Lade- und Entladezyklus Sauerstoff frei, was zu einer Verschlechterung der Batterieleistung führt und durch Oxidation des Elektrolyten Gase und Nebenprodukte erzeugen kann, die sogar Sicherheitsrisiken bergen.
Um dieses Problem zu lösen, beschichteten die Forscher vorgefertigte NMC811-Kathoden mittels Atomlagenabscheidung mit einer nur zwei Nanometer dicken Zirkoniumsulfid-Schicht. Experimente zeigten, dass sich diese Sulfidbeschichtung während des Batteriebetriebs in situ in Sulfat umwandelt (ZrS₂ wird zu Zr(SO₄)₂). Dieser Umwandlungsprozess kann den von der Kathode freigesetzten Sauerstoff effektiv einfangen und den Batterieelektrolyten vor Zersetzung schützen. Darüber hinaus kann die entstehende Sulfatbeschichtung schädliche Nebenreaktionen unterdrücken, die Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt stabilisieren, Mikrorisse reduzieren und die Strukturstabilität der Kathode aufrechterhalten.
Leistungstests ergaben, dass eine unbeschichtete, blanke NMC811-Kathode nur etwa 200 Zyklen überstehen konnte, während ihre Zyklenleistung mit der Sulfidbeschichtung auf über 1000 Zyklen anstieg. Nach 1300 Zyklen konnte die Batterie noch 60 % ihrer Ladekapazität halten.
Meng erklärt, dass Sulfide eine neue Klasse von Beschichtungsmaterialien seien, die sich in situ in der Batterie in Sulfate umwandeln und eine „robuste, saubere und oxidationsbeständige“ Schutzschicht bilden können. Sein Team habe bisher die Umwandlungswirkung verschiedener Sulfide (wie Li₂S, ZrS₂, Al₂S₃, ZnS und Cu₂S) verifiziert, und die entsprechenden Forschungen würden weiter vorangetrieben.
Die Studie vertieft das Verständnis der Grenzflächenmodifikation und eröffnet neue technologische Wege für die kommerzielle Anwendung von NMC811-Kathoden. Diese Technologie könnte in Zukunft auf Batteriekathoden in Geräten wie Mobiltelefonen und Laptops angewendet werden, um deren Lebensdauer zu verlängern und die Sicherheit zu erhöhen.
Der Erstautor der Arbeit ist Kevin Velasquez Carballo, Doktorand im Labor für Nano- und Energieforschung von Meng, der die Kathodenbeschichtungstests im Labor mit Knopfzellen durchführte. Zu den Mitautoren gehören auch Forscher der University of Arkansas, der University of Arkansas at Little Rock und des Argonne National Laboratory. Meng verriet, dass mehrere große Technologieunternehmen bereits Interesse an den Forschungsergebnissen gezeigt hätten und dass eine Zusammenarbeit mit dem Argonne National Laboratory geplant sei, um die Beschichtungstechnologie an verschiedenen Batterietypen weiter zu testen.
Veröffentlichungsinformationen: Autoren: Kevin Velasquez Carballo et al., Titel: „A Sulfide Coating that Scavenges Oxygen Enables Long-Term Stability of Ni-Rich Cathodes“, erschienen in: „Small“, 2025. Zeitschrifteninfo: „Small“
