Mehr Reichweite durch nickelreiche Batterien für Elektrofahrzeuge

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Eine neue nickelreiche Einkristall-Batterietechnologie ist auf dem Weg zur schnellen Einführung

Laut einer neuen Studie des Pacific Northwest National Laboratory des US-Energieministeriums könnte sich eine scheinbar einfache Umstellung in der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien auszahlen und die Fähigkeit von Elektrofahrzeugen (EV), mehr Energie pro Ladung zu speichern und mehr Ladezyklen zu überstehen, verbessern .

Die Laufleistung eines Elektrofahrzeugs hängt von der von jeder einzelnen Zelle seines Batteriepakets lieferbaren Energie ab. Bei Lithium-Ionen-Zellen – die den Markt für Elektrofahrzeugbatterien dominieren – werden sowohl die Energiekapazität auf Zellebene als auch die Zellkosten durch die positive Elektrode oder Kathode begrenzt.

Jetzt könnte sich dieser Engpass öffnen, dank eines innovativen, kostengünstigen Ansatzes zur Synthese einkristalliner, hochenergetischer, nickelreicher Kathoden kürzlich veröffentlicht in Energiespeichermaterialien.

Die Vision einer nickelreichen Batterie

Kathoden für herkömmliche EV-Batterien verwenden einen Cocktail aus Metalloxiden – Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide (LiNi)._1/3Mn_1/3Co_1/3Ö₂), abgekürzt NMC. Wenn mehr Nickel in eine Kathode eingebaut wird, erhöht sich die Fähigkeit der Batterie, Energie zu speichern, und damit die Reichweite des Elektrofahrzeugs erheblich. Daher sind nickelreiche NMCs (wie NMC811, wobei die „8“ für 80 % Nickel steht) von großem Interesse und großer Bedeutung.

NMC-Kathoden mit hohem Nickelgehalt, die mit der Standardmethode hergestellt wurden, agglomerieren jedoch zu polykristallinen Strukturen, die rau und klumpig sind. Diese fleischbällchenartige Textur hat für normales NMC ihre Vorteile. Bei NMC811 und darüber hinaus neigen die bauchigen Polykristallrisse jedoch dazu, auseinanderzubrechen, was zu Materialversagen führt. Dies macht Batterien, die mit diesen nickelreichen Kathoden hergestellt werden, anfällig für Risse; Sie beginnen auch schneller Gase zu produzieren und zu zerfallen als Kathoden mit weniger Nickel.

Herausforderungen bei der Synthese von einkristallinem NMC811

Eine Strategie zur Behebung dieses Problems besteht darin, dieses klumpige, polykristalline NMC in eine glatte, einkristalline Form umzuwandeln, indem die problematischen Grenzen zwischen den Kristallen beseitigt werden – diese Umwandlung ist jedoch leichter gesagt als getan. In Laboren werden Einkristalle in Umgebungen wie geschmolzenen Salzen oder hydrothermischen Reaktionen gezüchtet, die glatte Kristalloberflächen erzeugen. Diese Umgebungen sind jedoch für die reale Kathodenherstellung, bei der kostengünstigere Festkörperverfahren bevorzugt werden, nicht praktikabel.

Bei diesen typischeren Festkörperansätzen wird eine NMC-Kathode hergestellt, indem ein Metallhydroxid-Vorläufer mit Lithiumsalz gemischt, diese Hydroxide direkt gemischt und erhitzt werden – und so das agglomerierte (klumpig geclusterte) polykristalline NMC entsteht. Durch den Einsatz eines mehrstufigen Erhitzungsprozesses entstehen mikrometergroße Kristalle – diese sind jedoch immer noch agglomeriert, sodass die unerwünschten Nebenwirkungen bestehen bleiben.

PNNLs Lösung

Unter der Leitung von PNNL-Batterieexperten und in Zusammenarbeit mit Albemarle Corporation, löste das Forschungsteam diese Probleme, indem es einen Vorheizschritt einführte, der die Struktur und die chemischen Eigenschaften des Übergangsmetallhydroxids veränderte. Wenn das vorgewärmte Übergangsmetallhydroxid mit Lithiumsalz zur Kathode reagiert, entsteht eine gleichmäßige einkristalline NMC-Struktur, die selbst unter Vergrößerung glatt aussieht.

„Der einstufige Erhitzungsprozess von Vorläufern scheint unkompliziert zu sein, es sind jedoch viele interessante Phasenübergänge auf atomarer Ebene erforderlich, um die Einkristalltrennung zu ermöglichen“, sagte er Yujing BiErstautor der Papier. „Es ist auch für die Industrie praktisch, es zu übernehmen.“

In ihrer Studie vergrößern die Forscher dieses einkristalline NMC811 nun auf Kilogramm-Niveau, indem sie Lithiumsalz von Albemarle verwenden. Die skalierten Einkristalle wurden in realistischen 2-Ah-Lithium-Ionen-Pouchzellen getestet, wobei eine Standard-Graphitanode verwendet wurde, um sicherzustellen, dass die Leistung der Batterie hauptsächlich von der neuen Kathode bestimmt wurde.

Der erste Batterieprototyp, der mit den skalierten Einkristallen ausgestattet war, war auch nach 1.000 Lade- und Entladezyklen stabil. Als die Forscher die mikroskopische Struktur der Kristalle nach 1.000 Zyklen untersuchten, fanden sie keine Defekte und eine perfekt ausgerichtete elektronische Struktur.

„Dies ist ein wichtiger Durchbruch, der es ermöglicht, Lithiumbatterien mit der höchsten Energiedichte ohne Leistungseinbußen zu verwenden“, kommentierte er Stan Whittingham, Nobelpreisträger und angesehener Professor für Chemie an der Binghamton University. „Darüber hinaus wird dieser Durchbruch bei langlebigen Batterien von entscheidender Bedeutung für deren Einsatz in Fahrzeugen sein, die an das Stromnetz angeschlossen werden können, um es widerstandsfähiger zu machen und saubere erneuerbare Energiequellen zu unterstützen.“

Die Synthesemethode für die einkristalline, nickelreiche Kathode ist sowohl innovativ als auch kosteneffizient. Es ist auch einfach zu skalieren, da es sich um einen Drop-in-Ansatz handelt, der es Kathodenherstellern ermöglicht, bestehende Produktionsanlagen zu nutzen, um bequem einkristallines NMC811 herzustellen – und sogar Kathoden mit mehr als 80 % Nickel.

„Dies ist eine grundlegend neue Richtung für die Produktion von Einkristall-Kathodenmaterialien in großem Maßstab“, sagte er Jie Xiao, der Hauptforscher des Projekts und Battelle Fellow am PNNL. „Diese Arbeit ist nur ein Teil der Kathodentechnologie, die wir bei PNNL entwickeln. In Zusammenarbeit mit Albemarle gehen wir die wissenschaftlichen Herausforderungen bei der Synthese und dem Scale-up von Einkristallen an und senken die Herstellungskosten ausgehend von den Rohstoffen.“

Rascher Einsatz der Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge

In der Forschungsphase, die Anfang 2024 beginnen soll, PNNL wird in Zusammenarbeit mit Industrie- und Universitätspartnern daran arbeiten, eine Synthese im kommerziellen Maßstab zu realisieren und Prüfung mit Blick auf die Produktion.

Um dies so schnell zu erreichen, werden sie herkömmliche Fertigungsanlagen und -techniken verwenden, die industriell angepasst wurden, um den Scale-up-Ansatz von PNNL zu berücksichtigen (sowie einige andere Innovationen, die die Kosten und die Abfallerzeugung weiter reduzieren).

„Bei der Einkristallsynthese auf Kilogrammebene haben wir eine völlig neue Welt voller wissenschaftlicher und technischer Herausforderungen und Chancen entdeckt“, sagte Xiao. „Wir freuen uns, dieses neue Wissen anzuwenden, um den Herstellungsprozess im kommerziellen Maßstab zu beschleunigen.“

„Wir konkurrieren nicht mit der Industrie“, sagte Xiao. „Tatsächlich arbeiten wir mit Branchenführern wie Albemarle zusammen, um die wissenschaftlichen Herausforderungen proaktiv anzugehen, damit die Industrie den gesamten Prozess basierend auf den Erkenntnissen und Erkenntnissen, die wir dabei gelernt haben, ausbauen kann.“

Diese Arbeit wurde vom DOE-Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien, dem Büro für fortgeschrittene Werkstoffe und Fertigungstechnologien und dem Büro für Fahrzeugtechnologien unterstützt.

Ursprünglich veröffentlicht am PNNL-Website.

Von Oliver PeckhamPNNL