Eine Forschungsgruppe, die kostengünstige Elemente verwendet, hat die Machbarkeit der Synthese von Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) demonstriert. Bei weiterer Erforschung könnte diese Methode die Abhängigkeit der Industrie von seltenen Metallen wie Kobalt und Nickel verringern.
Einzelheiten zu ihren Ergebnissen wurden in veröffentlicht ACS Angewandte Energiematerialien am 11. April 2022.
Seltene Metalle werden häufig verwendet, weil sie eine geeignete Kristallstruktur für die Schlüsselkomponente von LIBs bilden – Kathodenmaterialien. In diesen Materialien wird Lithium leicht und reversibel extrahiert/eingefügt.
Wissenschaftler haben lange nach Möglichkeiten gesucht, andere kostengünstige Elemente in die Kristallstruktur einzubauen. Doch genau wie sich nur eine bestimmte Menge Salz in Wasser auflöst, ist die Löslichkeit anderer Elemente begrenzt.
Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Tetsu Ichitsubo vom Institut für Materialforschung (IMR) der Universität Tohoku verfolgte eine andere Strategie. Sie nutzten den Energiegewinn aus der „Konfigurationsentropie“ – dem Zustand der Zufälligkeit eines Materials – und erweiterten die Löslichkeit der Bestandteile, indem sie Elektrodenmaterialien mit neuer Zusammensetzung synthetisierten: LiCr1/4Mn1/4Co1/4Ni1/4O2 und LiCr1/5Mn1/5Fe1/5Co1/5Ni1/ 5O2. Dadurch wurde der Einsatz von Kobalt und Nickel deutlich reduziert.
„Unser Ansatz erschließt das Potenzial anderer ungenutzter Elemente und wird es uns ermöglichen, dank flexibler Materialdesigns mehrere Elektrodeneigenschaften gleichzeitig zu optimieren“, sagt Ichitsubo.
Die nach dem neuen Verfahren synthetisierten Materialien könnten auch die Sicherheit von LIBs verbessern. Tomoya Kawaguchi, Assistenzprofessor am IMR und korrespondierender Autor des Artikels, erklärt: „Die Erhöhung der Konfigurationsentropie erhöht theoretisch auch die Stabilisierung des Elektrodenmaterials und trägt zur Sicherheit der gesamten Batterie bei.“
Mit diesen neuen Materialien klärten Ichitsubo und seine Gruppe auch die Degradationsmechanismen auf, die den Batteriezyklus beeinflussen. Dies dient als Richtlinie für die Entwicklung neuartiger Hochleistungsmaterialien unter Verwendung der Hochentropiestrategie.
Während Zyklierbarkeit und Kapazität derzeit nicht mit konventionellen LIBs mithalten können, eröffnet die Möglichkeit, neue Elektrodenmaterialien zu synthetisieren, weitere Wege für die Erforschung von LIBs.
Tomoya Kawaguchi et al, Einflüsse einer erhöhten Entropie in geschichteten Steinsalzoxid-Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien, ACS Angewandte Energiematerialien (2022). DOI: 10.1021/acsaem.1c03968