Forscher des Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) der Tohoku-Universität in Japan haben kürzlich ein Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien auf Basis manganreicher Oxide entwickelt. Diese Technologie löst das Jahn-Teller-Distortionsproblem, das manganbasierte Batterien lange Zeit plagte, durch Grenzflächen-Orbital-Engineering und erreicht eine nahezu perfekte Zyklenleistung. Sie bietet damit eine neue Richtung für die Entwicklung von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien.
Lithium-Ionen-Batterien sind als Schlüsselspeichergeräte für die elektrifizierte Wirtschaft weit verbreitet in Elektrofahrzeugen, der Speicherung erneuerbarer Energien und verschiedenen elektronischen Geräten. Herkömmliche Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch von teuren Kobalt-Elementen abhängig, deren Abbau Umwelt- und soziale Probleme mit sich bringt und die nachhaltige Entwicklung der Batterietechnologie behindert.
Die Forscher wenden sich nun der Verwendung des reichlich vorhandenen und kostengünstigeren Mangans als Ersatz für Kobalt zu, um die Produktionskosten von Lithium-Ionen-Batterien zu senken und die Umweltauswirkungen zu verringern. Manganbasierte Materialien stehen jedoch vor der strukturellen Herausforderung der Jahn-Teller-Distortion, die zu einer Verschlechterung der Batterieleistung führt.
Das WPI-AIMR-Team wandte eine Methode des Grenzflächen-Orbital-Engineerings an. Auf atomarer Ebene nutzten sie erfolgreich den orbital-geometrischen Frustrationseffekt nicht-kollinearer Grenzflächen, um die Jahn-Teller-Distortion zu neutralisieren. Dieser auf der Topologie von Elektronenorbitalen basierende Entwurf ermöglichte es dem Kathodenmaterial, nach 500 Lade-Entlade-Zyklen eine stabile Leistung beizubehalten, ohne signifikante Verschlechterung.
Diese Technologie verbessert nicht nur die Zyklenlebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien, sondern bietet auch ein neues Paradigma für interdisziplinäre Forschung zwischen Elektrochemie und Festkörperphysik. Lithium-Ionen-Batterien mit Manganoxid-Kathoden werden voraussichtlich kosteneffizienter, langlebiger und umweltfreundlicher sein.
Im Bereich der Elektrofahrzeuge könnte diese Technologie die Batteriekosten senken und eine zuverlässigere Reichweite bieten. Im Bereich der Energiespeicherung könnten Lithium-Manganoxid-Batterien Solarenergie, Windenergie und andere erneuerbare Energien effizient speichern und so die Entwicklung einer sauberen Energiewirtschaft unterstützen.
Professor Hao Li vom WPI-AIMR erklärte: „Angesichts der Kostenvorteile von Mangan stellen manganbasierte Oxide auch das kommerziell vielversprechendste Kathodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien dar.“ Da sich die Batterietechnologie in Richtung der Nutzung reichlich vorhandener Ressourcen entwickelt, eröffnet diese Forschung breite Anwendungsmöglichkeiten für die zukünftige Energiespeicherung. Die verwandten Ergebnisse wurden im „Journal of the American Chemical Society“ veröffentlicht.
