Mangan-Überarbeitung für Lithium-Ionen-Batterien
22. März 2021 – Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher Lithium-Ionen-Energiespeicher
Kobaltfreie Kathoden könnten Versorgungsprobleme bekämpfen, indem sie eines der billigsten verfügbaren Metalle verwenden.
US-Forscher haben eine Lithium-Ionen-Batterie hergestellt, die statt herkömmlichem Kobalt oder Nickel Mangan als Kathodenmaterial verwendet. Die Arbeit könnte eine kostengünstige und reichlich vorhandene Alternative zu diesen immer teureren und begrenzteren Ressourcen bieten und eine Möglichkeit bieten, den schnell wachsenden Bedarf an Lithium-Ionen-Energiespeichern zu decken.
Die meisten Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien sind auf Kobalt oder Nickel angewiesen, da sie die Strukturen leicht geschichtet und geordnet halten. Doch im Jahr 2014 zeigte eine Gruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) unter der Leitung von Gerbrand Ceder, dass Lithium-Ionen-Batterien mit einer ungeordneten Struktur funktionieren könnten, solange sie reich an Lithium sind, was die Möglichkeit eröffnete, neue und möglicherweise neue auszuprobieren besser, Materialien.
Ceder und Kollegen von der University of California und dem Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, haben nun eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer ungeordneten Kathode auf Manganbasis entwickelt und gezeigt, dass sie möglicherweise mehr Energie speichern kann als Kobalt oder Nickel. „Unsere Idee war, dass wir, wenn wir Kathoden herstellen könnten, bei denen uns die Schichtung egal ist, ein viel breiteres Spektrum an Metallen nutzen könnten“, sagt Hauptautor Jinhyuk Lee vom MIT. „Wir haben uns für Mangan entschieden, da es eines der günstigsten verfügbaren Metalle ist.“
Mangan wird bereits in herkömmlichen geschichteten Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien verwendet, allerdings als stabilisierendes Metall mit geringer Beteiligung an der Elektronenspeicherung. Jüngste Versuche, Kathoden ausschließlich aus ungeordnetem Mangan und anderen Metalloxiden herzustellen, waren begrenzt, da sie aufgrund einer zu hohen Sauerstoff-Redoxaktivität instabil werden und an Kapazität verlieren, wenn Lithiumionen während des Ladevorgangs von der Kathode zur Anode auf Lithiumbasis wandern.
Um diese Aktivität zu reduzieren und eine Manganoxidkathode mit hoher Kapazität zu erhalten, hat Ceders Team einen Weg gefunden, Mangan dazu zu bringen, zwei Elektronen auszutauschen, was bei Kathoden auf Nickelbasis mit hoher Kapazität statt nur einem der Fall ist. Dabei wurde die Wertigkeit des Mangans auf Mn2+ gesenkt, indem einige Sauerstoffanionen durch niederwertigere Fluoranionen ersetzt wurden, während einige Mangankationen durch höherwertige Niob- und Titanionen ersetzt wurden. Dies bedeutete, dass ein doppeltes Redox von Mangan-Kationen von Mn2+ zu Mn4+ erfolgen konnte, wodurch ein hoher Anteil an Lithiumionen von der Kathode zur Lithiumanode wandern konnte, ohne instabil zu werden.
„Unsere Ergebnisse im Labormaßstab [Batteriezyklustest] zeigen eine deutlich höhere Energiedichte unserer Kathoden (~1000 Wh/kg) im Vergleich zu der der bestehenden Kathoden (600–700 Wh/kg)“, sagt Ceder. „Aber unsere Daten sind nicht im kommerziellen Maßstab, daher sollten weitere Tests und Optimierungen unserer Materialien folgen.“
„Während für praktische Anwendungen weitere Verbesserungen der Zyklenstabilität erforderlich sind, ist die beschriebene Strategie vielversprechend und ermöglicht eine umfassende Erforschung verschiedener hochvalenter Kationen“, kommentiert Gleb Yushin, der die Energiespeicherung am Georgia Institute of Technology in den USA untersucht. „Die Notwendigkeit, die Zellspannung auf sehr niedrige Werte zu reduzieren, stellt möglicherweise ein Hindernis für die Anwendung der gemeldeten Technologie in elektronischen Geräten dar, sollte aber für Automobilanwendungen keine große Sache darstellen.“
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