Koreanische Batterieforscher wollen Hoch-Nickel-Zellchemien verbessern

Mit dem „weltweit zum ersten Mal“ festgestellten Mechanismus hinter der Degradation der Noch-Nickel-Batterien konnten die KAIST-Forschenden die Ursachen dafür verstehen – und haben gleich auch einen neuen Ansatz zur Lösung des Problems gefunden.

Die Ursache für den ungewöhnlich schnellen Leistungsverlust bei Batterien mit höheren Nickel-Anteilen in der Kathode ist eine bisher nicht bekannte Wechselwirkung des Nickels mit einem Additiv, das dem Elektrolyt beigemischt wird. Konkret handelt es sich um Succinonitril (CN4), das im Flüssig-Elektrolyt zur Verbesserung der Batteriestabilität und -lebensdauer verwendet wird. Wie das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Nam-Soon Choi von der Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik zusammen mit weiteren Abteilungen festgestellt hat, ist genau dieses Succinonitril der größte Faktor, der Batterien mit hohem Nickelgehalt schnellder degradieren lässt.

Das CN4 wird eingesetzt, um die Bewegung der Lithium-Ionen im Elektrolyt zu erleichtern – und genau diese Bewegung ist essenziell dafür, dass in der Batterie Strom gespeichert werden kann. Allerdings – so die neuen Erkenntnisse aus Südkorea – hat das CN4 auch zwei Nitrilstrukturen (-CN), die sich „übermäßig stark an die Nickelionen auf der Oberfläche der Hochnickelkathode anlagert“, wie das Portal Chemie.de schreibt. „Bei der Nitrilstruktur handelt es sich um eine ‚hakenartige‘ Struktur, bei der Kohlenstoff und Stickstoff durch eine Dreifachbindung verbunden sind, wodurch es gut an Metallionen haftet. Diese starke Bindung zerstört die schützende elektrische Doppelschicht (EDL), die sich auf der Kathodenoberfläche bilden sollte.“

Da bei dem Be- und Entladen der Zelle sogar Elektronen aus der Kathode in das CN4 gezogen werden, wird die Kathode weiter beschädigt. Dazu kommt, dass sich die dabei ausgetretenen Nickel-Ionen an der Anode anlagern und dort nicht nur die Oberfläche für den gewünschten Transport der Lithium-Ionen blockiert, sondern auch als Katalysator zur Zersetzung des Elektrolyts beiträgt. In Batterien mit Lithium-Kobaltoxid (LCO) hat CN4 nachweislich positive Effekte – in Nickel-reichen Zellchemien beschädigt es hingegen die Struktur.

Der Lösungsansatz des KAIST-Teams ist daher simpel, aber noch nicht voll in die Praxis umgesetzt: Es müssen neue Elektrolyt-Additive entwickelt werden, die sich mit Hoch-Nickel-Zellchemien vertragen und nicht zu deren Zersetzung beitragen. „Ein genaues Verständnis auf molekularer Ebene ist unerlässlich, um die Lebensdauer und Stabilität von Batterien zu verbessern“, sagt Professor Nam-Soon Choi. „Diese Forschungsarbeit wird den Weg für die Entwicklung neuer Additive ebnen, die sich nicht übermäßig mit Nickel verbinden und damit einen wichtigen Beitrag zur Kommerzialisierung von Hochleistungsbatterien der nächsten Generation leisten.“

chemie.de, kaist.ac.kr (auf Koreanisch)