Elektroden aus der Mikrowelle

  • 18. October 2017

Neues Verfahren zur Synthese von Hochvolt-Kathoden für Lithium­ionen-Akkus.

Power für unterwegs ist gefragt: Je leistungsfähiger der Akku, desto größer die Reich­weite von Elektro­autos und desto länger die Betriebs­zeit von Handys und Laptops. Jennifer Ludwig von der TU München hat ein Ver­fahren ent­wickelt, mit dem sich das viel­ver­sprechende Hoch­volt-Kathoden­material Lithium-Kobalt­phosphat schnell, einfach, günstig und in höchster Qualität her­stellen lässt.

Elektrodenmaterial

Abb.: Elektronenmikroskopische Auf­nahme der plätt­chen­förmigen Lithium-Kobalt­phosphat-Kristalle. (Bild: K. Rode­wald, TU München)

„Das Lithium-Kobaltphosphat kann erheblich mehr Energie speichern als her­kömm­liche Kathoden­materi­alien“, erklärt Ludwig. Lithium-Kobalt­phosphat gilt unter Forschern seit langem als Material der Zukunft. Es arbeitet bei höherer Spannung als das bisher ver­wendete Lithium-Eisen­phosphat und erreicht daher eine höhere Energie­dichte – acht­hundert Watt­stunden pro Kilogramm statt bisher knapp sechs­hundert Watt­stunden.

Bisher war die Herstellung des Materials jedoch aufwändig, energie­intensiv und wenig effi­zient: Man benötigte dras­tische Bedin­gungen mit Tempe­ra­turen von neun­hundert Grad Celsius. „Die Kristalle, die sich unter diesen extremen Bedin­gungen bilden, sind zudem unter­schied­lich groß und müssen in einem zweiten energie­inten­siven Schritt erst zu nano­kristal­linem Pulver ver­mahlen werden“, so Ludwig. Die ent­stehenden Körnchen besitzen außer­dem nur in einer Richtung genügend ionische Leit­fähig­keit. Auf dem größten Teil der Ober­fläche läuft die chemische Reaktion zwischen Elek­troden­material und Elektro­lyt im Akku nur schleppend ab.

Die von Ludwig entwickelte Mikrowellen-Synthese löst all diese Probleme auf einen Schlag: Für die Gewin­nung von hoch­reinem Lithium-Kobalt­phosphat benötigt man nur ein kleines Mikro­wellen-Gerät und eine halbe Stunde Zeit. Die Reagen­zien werden zusammen mit einem Lösungs­mittel in einem Teflon-Behälter erhitzt. Gerade einmal sechs­hundert Watt Leistung reichen aus, um die not­wendige Tempe­ratur von 250 Grad zu erzeugen und die Kristall­bildung anzu­regen.

Die sich dabei bildenden flachen Plättchen haben einen Durch­messer von weniger als einem Mikro­meter, eine Dicke von wenigen hundert Nano­metern, und die Achse höch­ster Leit­fähig­keit ist in Rich­tung Ober­fläche orien­tiert. „Diese Form sorgt für eine bessere elektro­chemische Leistungs­fähig­keit, weil die Lithium-Ionen nur kurze Wege im Kristall zurück­legen müssen“, erläutert Ludwig.

Und noch ein weiteres Problem konnte Ludwig bei ihren Experi­menten lösen: Bei Tempe­ra­turen von über zwei­hundert Grad und unter hohem Druck ent­steht mit­unter nicht das gewünschte Lithium-Kobalt­phosphat, sondern ein bisher unbe­kanntes, komplexes Kobalt-Hydroxid-Hydrogen­phosphat. Ludwig gelang es, den Reaktions­weg aufzu­klären, die chemische Ver­bindung zu iso­lieren und dessen Struktur und Eigen­schaften zu bestimmen. Da die neue Ver­bin­dung als Batterie­material unge­eignet ist, modi­fi­zierte sie die Reaktions­bedin­gungen so, dass nur das gewünschte Lithium-Kobalt­phosphat ent­steht.

„Mit dem neuen Herstellungsverfahren können wir nun in einem einzigen Prozess­schritt die leistungs­fähigen, plätt­chen­förmigen Lithium-Kobalt­phosphat-Kristalle maß­geschnei­dert und in hoher Qualität her­stellen“, sagt Tom Nilges von der TU München, in dessen Arbeits­gruppe Ludwig tätig ist. „Damit ist eine weitere Hürde auf dem Weg zu neuen Hochvolt-Materi­alien über­wunden.“

TUM / RK

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