2D-Modell von Ni-reichen Kern-Schale-Partikeln: Bild a) kristallographische Orientierung der einzelnen Körner in einem Kerne-Schale-Partikel Bild b) das für die Rechnung verwendete Netz Bilder c) bis f) berechnete Zug- und Druckspannungs-Verteilungen im geladenen Zustand der Batterie für normale (c,e) und Kern-Schale-Partikel mit verringerten Intensitätsmaxima am Rand (d,f) Copyright: Robert Mücke / Forschungszentrum Jülich
Lithium-Ionen-Akkus sind mit ihrer langen Lebensdauer und hohen Energiedichte anderen wieder aufladbaren Batteriesystemen weit überlegen. Dennoch sind sie für viele Anwendungen, etwa Elektroautos, noch immer unzureichend. Einer der Gründe dafür liegt im Kathodenmaterial der Akkus. Wissenschaftler aus Jülich und Südkorea forschen an einem Werkstoff, der die Batterien künftig leistungsfähiger machen könnte.
Die Batterie ist das Herzstück eines jeden Elektrofahrzeugs. Momentan kommen dabei fast ausschließlich Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Sie vertragen viele Ladezyklen und ihre Energiedichte, bzw. Entladekapazität, hat sich seit ihrer Einführung in den frühen neunziger Jahren mehr als verdoppelt. Trotzdem sind selbst moderne Lithium-Akkus noch immer unzureichend für E-Fahrzeuge, die eine breitere Verbraucherbasis ansprechen können: zum einen wegen der hohen Kosten, doch vor allem wegen der immer noch zu kurzen Reichweite pro Ladung.
Sowohl die Gesamtleistung als auch die Kosten von Lithium-Ionen-Akkus werden weitgehend vom Kathodenmaterial bestimmt. Um unabhängiger vom kritischen Kobalt zu werden, wird dafür in Lithium-Ionen-Akkus bevorzugt nickel(Ni-)reiches NCM mit hoher Speicherkapazität verwendet. Dies geschieht allerdings auf Kosten der Lebensdauer der Kathoden: Mit steigendem Nickelgehalt treten typischerweise Kapazitätsverluste und Überhitzungsprobleme auf.
Grund für den Kapazitätsverlust in Ni-reichem NCM sind ungleichmäßige Ausdehnungen und Kontraktionen des Kristallgitters des Kathodenmaterials, verursacht durch den Phasenübergang, der in Ni-reichen NCM-Kathoden im tief geladenen Zustand auftritt. Die inneren Spannungen erzeugen kleinste Risse im Material, durch die der Flüssigelektrolyt der Batterien eindringen kann und es destabilisiert.
Robert Mücke und Payam Kaghazchi vom Team „Modellierung“ am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) haben zusammen mit dem „Department Material Science and Engineering“ der südkoreanischen Hanyang Universität die Leistung von Ni-reichen NCM-Partikeln mit multikompositionellem Kern-Schale-Aufbau erforscht.
Sie haben die Spannungsverteilung in Ni-reichen multikompositionellen Kern-Schale-NCM-Partikeln modelliert, die von koreanischen Forschern synthetisiert wurden. Ihre Simulationen zeigen, dass die einzigartige Zusammensetzung und die räumliche Anordnung dieser Kathodenmaterialien die durch den Phasenübergang erzeugten internen Spannungen mildern können. Durch die optimierte Mikrostruktur konnten die Zyklenleistung und die thermochemische Stabilität deutlich verbessert werden.
Weitere Informationen: www.fz-juelich.de
