Bessere Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien

Keine Energiewende ohne Energiespeicherung – umweltschonende Technologien erfordern leistungs­fähige Batterien. Lithium-Ionen-Batterien haben sich seit Anfang der 1990er Jahre als führende Technologie für die Speicherung elektrochemischer Energie durchgesetzt. Ihre Herstellung ließe sich verbilligen, wenn man das preiswerte Lithium-Nickel-Oxid für die Kathode verwenden könnte, also für den Pluspol. „Das Material erleidet jedoch beim Laden und Entladen Schaden wegen des hohen Nickel­gehalts, vor allem an der Oberfläche“, erklärt der Gießener Chemiker Jürgen Janek. „Dies behindert den kommerziellen Einsatz von Lithium-Nickel-Oxid seit langer Zeit.“
 

Worauf diese Material­umwandlung beruht, ist in den mechanistischen Details bisher unklar – der Grund: „Es gab bisher keine experimentelle Methode, um die Anordnung aller einzelnen Atome in Lithium-Nickel-Oxid sichtbar zu machen“, wie die Marburger Physikerin Kerstin Volz erläutert. „Insbesondere fehlen experimentelle Ergebnisse an Materialien, wie sie tatsächlich in einer Batterie verwendet werden könnten.“

Um diese Forschungslücke zu füllen, taten sich die Arbeitsgruppen von Volz und Janek zusammen. Das Team nutzte eine Kombination mehrerer Verfahren der Raster-Trans­missions­elektronen­mikroskopie (STEM). Das Team schaffte es, zu zeigen, wie die Verbindung Lithium-Nickel-Oxid aufgebaut ist – eine Voraussetzung dafür, das Material erfolgreich in Lithium-Ionen-Batterien einzusetzen. 

Mit diesem Ansatz ist es der Gruppe gelungen, die Anordnung der Elemente Atom für Atom abzubilden. „Wir sind überzeugt, dass unsere Resultate helfen, neue Materialien mit verbesserter Stabilität zu entwickeln“, so die Autoren. Kerstin Volz lehrt Physik an der Philipps-Universität Marburg. Sie leitet hier das wissenschaftliche Zentrum für Material­wissenschaften, ist Sprecherin des Graduiertenkollegs „Funktionalisierung von Halbleitern“ und stellvertretende Sprecherin des Sonder­forschungs­bereichs „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“. 

Jürgen Janek ist Professor für Physikalische Chemie an der Justus-Liebig-Universität Gießen, geschäfts­führender Direktor des Gießener Zentrums für Materialforschung und wissenschaftlicher Leiter des BASF/KIT-Gemeinschafts­labors „BELLA“, das ebenfalls an der Studie beteiligt ist. Zudem ist er Koordinator des Kompetenz­clusters „Festbatt“.

U. Marburg / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Ahmed et al.: Visualization of Light Elements using 4D STEM: The Layered-to-Rock Salt Phase Transition in LiNiO₂ Cathode Material, Adv. En. Mater., online 25. Mai 2020; DOI: 10.1002/aenm.202001026
• Wissenschaftliches Zentrum für Materialwissenschaften (K. Volz), Philipps-Universität Marburg
• Physikalische Festkörperchemie (J. Janek), Justus-Liebig-Universität Gießen