SK On meldet Fortschritt in der Kathodenforschung
Die derzeit von der Batteriebranche verwendeten polykristallinen Kathodenmaterialien bestehen aus mehreren Kristallen, die innerhalb jedes Partikels zusammengefasst sind. Während des Kalanderprozesses oder der Lade-/Entladezyklen können die Grenzflächen zwischen diesen Kristallen zu Rissen und Gasbildung führen.
Im Gegensatz dazu bestehen einkristalline Kathodenmaterialien aus Partikeln, die jeweils als Einkristall ausgebildet sind. Dadurch sind sie weniger rissanfällig und weisen eine höhere Stabilität und Zyklenlebensdauer auf. Ferner können die einkristallinen Kathodenmaterialien auch die Stabilität und Energiedichte von Batterien verbessern.
Genau solche einkristallinen Kathodenmaterialien konnten nun SK On und ein Forscherteam um Prof. Kisuk Kang von der Seoul National University entwickeln. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ veröffentlicht worden.
Komplexes Herstellungsverfahren
Die Synthese einkristalliner Kathodenmaterialien, die sowohl eine große Partikelgröße als auch strukturelle Stabilität erreichen, stellt eine große Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere für hoch-nickelhaltige Kathodenmaterialien, die eine Hochtemperatur- und Langzeit-Wärmebehandlung zur Bildung von Einkristallen erfordern – ein Prozess, der zu einer Fehlordnung der Kationen und folglich zu einer reduzierten Batterieleistung und Zyklenlebensdauer führen kann.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelten Forscher von SK On und der Seoul National University eine neuartige Synthesemethode, die es ermöglicht, großkörnige einzelkristalline Kathodenpartikel herzustellen, die gleichzeitig hohe strukturelle Stabilität besitzen. Durch eine Zwischenstufe mit Natrium-Kathoden und anschließender Ionenaustauschreaktion zu Lithium gelang es, ultrahoch-Nickel-Kathoden mit ca. 10 Mikrometer Partikelgröße zu erzeugen, die kaum strukturelle Defekte aufweisen. Diese Partikel sind etwa doppelt so groß wie die Partikel herkömmlicher Kathodenmaterialien.
Diese neuartigen Kathoden zeigten neben einer hohen Energiedichte eine hohe mechanische und chemische Stabilität. Da es zu keiner Fehlordnung von Kationen kam, wiesen sie eine geringere strukturelle Spannung auf, erzeugten 25 mal weniger Gas als herkömmliche polykristalline Kathoden und erreichten eine Energiedichte von bis zu 77 Prozent der theoretischen Kristalldichte.
Folgestudien geplant
„Diese Forschung beweist eindeutig die technologische Wettbewerbsfähigkeit von SK On im Bereich Batteriematerialien“, sagte Dr. Kisoo Park, Leiter des Future Technology Institute bei SK On. „Wir werden unsere Technologieführerschaft durch innovative Forschung und Entwicklung in Zusammenarbeit mit der Wissenschaft weiter stärken.“
SK On und die Seoul National University planen bereits Folgestudien, um diese Kathodenmaterialien der nächsten Generation weiterzuentwickeln. Dabei sollen noch fortschrittlichere Materialzusammensetzungen und Synthesetechniken erforscht werden. Außerdem wollen die Forscher Einkristallpartikel unterschiedlicher Größe in optimalen Verhältnissen kombinieren, um die Energiedichte weiter zu erhöhen.
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