Luftkontakt verdoppelt Kapazitätsverlust bei nickelreichen Batterien

Forscher der Hanyang University in Südkorea haben einen bisher unterschätzten Faktor in der Batterieproduktion identifiziert: Werden Vorläufermaterialien für nickelreiche Kathoden an der Luft gelagert, oxidiert Mangan an der Partikeloberfläche. Es entstehen defekte Oberflächenbereiche mit sogenannten Jahn-Teller-verzerrten Mangan-Spezies. Diese reagieren besonders stark mit dem Elektrolyten, fördern die Auflösung von Übergangsmetallen und begünstigen schädliche Reaktionen an der Graphit-Anode. In Langzeit-Zyklisierungstests führte dieser Effekt laut Studie nahezu zu einer Verdopplung des Kapazitätsverlusts.

Das ist paradox: Die manganreiche Schutzschicht soll Hochnickel-Kathoden eigentlich stabilisieren. Unter falschen Lagerbedingungen wird sie zum Problem. "Wir haben festgestellt, dass eine manganreiche Hülle, die normalerweise zum Schutz von Hochnickel-Kathoden eingesetzt wird, stattdessen zum Katalysator für Alterungsprozesse werden kann, wenn die Chemie der Vorläufermaterialien nicht sorgfältig kontrolliert wird", erklärt Professor Jin Ho Bang. "Selbst kleine Unterschiede in der Lagerungsgeschichte der Vorläufermaterialien können die Stabilität der Batterie erheblich beeinflussen."

Die Lösung klingt vergleichsweise einfach: Mehr Lithium während der Synthese zuzugeben unterdrückt die Bildung der defekten Oberflächenphase und stellt eine stabile Mangan-Sauerstoff-Bindung wieder her. Kathoden, die so hergestellt wurden, behielten in den Versuchen mehr als 90 Prozent ihrer Kapazität. Aufwendige zusätzliche Beschichtungen oder grundlegende Änderungen an Produktionslinien wären demnach nicht nötig, sondern vor allem eine sorgfältige Kontrolle der Materialhandhabung und der Lithium-Stöchiometrie.

Die Studie wurde im Fachjournal "Energy and Environmental Science" veröffentlicht. Wichtig für die Einordnung: Untersucht wurden keine LFP- oder NMC-Batterien, wie sie heute in fast allen Elektroautos stecken. Im Fokus standen kobaltfreie Hochnickel-Kathoden mit manganreicher Schutzschicht, die als möglicher Nachfolger aktueller nickelreicher Lithium-Ionen-Zellen entwickelt werden. Die Erkenntnisse betreffen also vor allem die nächste Batteriegeneration, nicht die aktuelle Serienproduktion.

Für die Industrie ist das dennoch relevant: Kobaltfreie Hochenergie-Kathoden gelten als vielversprechender Weg, die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen und gleichzeitig die Abhängigkeit von einem kritischen Rohstoff zu reduzieren. Bang betont, dass der Verzicht auf Kobalt allein nicht ausreicht: "Unsere Ergebnisse zeigen, dass bereits geringe Unterschiede in der Vorgeschichte der Vorläufermaterialien erhebliche Auswirkungen auf die Batterieleistung haben können. Dadurch wird das Management der Vorläufermaterialien zu einem wichtigen Faktor für die industrielle Großserienfertigung."