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Wie Defekte im Kathodenmaterial Lithium-Ionen-Akkus verbessern

| Redakteur: Thomas Kuther

Lange Akkustandzeiten bei E-Autos, die mit einer einzigen Ladung hunderte von Kilometern fahren können, und ein zuverlässiges Stromnetz, das erneuerbare Energie speichern kann – möglich werden soll dies mit einer neuartigen Anordnung der Atome im Kathodenmaterial.

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(Bild: Clipdealer)

Bisher verbesserten Forscher Kathodenmaterialien, indem sie ihre chemische Zusammensetzung änderten. Chemiker am Brookhaven National Laboratory (BML) des US-Energieministeriums (DOE) haben nun die Leistungsfähigkeit von Akkus über eine andere Anordnung der Atome im Kathodenmaterial verbessert und diesen Erfolg in „Chemistry of Materials“ veröffentlicht und in „ACS Editors' Choice“ vorgestellt. „Anstatt die chemische Zusammensetzung der Kathode zu verändern, können wir die Anordnung ihrer Atome ändern“, freut sich Peter Khalifah, Chemiker am Brookhaven Lab und der Stony Brook University.

Heute bestehen die meisten Kathodenmaterialien aus abwechselnden Schichten von Lithium-Ionen und Übergangsmetallen wie Nickel. Innerhalb dieser Schichtstruktur kann man normalerweise eine kleine Anzahl von Defekten finden. Das bedeutet, dass Atome aus einem Übergangsmetall dort gefunden werden können, wo ein Lithium-Ion sein soll und umgekehrt.

„Man kann sich einen Defekt als einen „Fehler“ in der Perfektion der Struktur des Materials vorstellen“, erläutert Khalifah. „Es ist bekannt, dass viele Defekte zu einer schlechten Batterieleistung führen, aber wir haben jetzt gelernt, dass eine kleine Anzahl von Defekten tatsächlich die Schlüsseleigenschaften verbessern sollte.“ Laut Khalifah sind es zwei Eigenschaften, die ein gutes Kathodenmaterial auszeichnen: Ionenleitfähigkeit (die Lithium-Ionen können sich gut bewegen) und elektronische Leitfähigkeit (die Elektronen können sich gut bewegen).

„Ein Defekt ist wie ein Loch zwischen den Lithium-Ionen- und Übergangsmetallschichten in der Kathode“, so Khalifah. „Anstatt auf zwei Dimensionen beschränkt zu sein, können sich die Lithium-Ionen und Elektronen in drei Dimensionen über die Schichten bewegen“.

Zu dieser Schlussfolgerung gelangten die Wissenschaftler über Experimente, in denen sie die Konzentration von Defekten in einem Kathodenmaterial wesentlich genauer als je zuvor maßen. „Die Konzentration von Defekten in einem Kathodenmaterial kann zwischen zwei und fünf Prozent variieren“, erklärt Khalifah. „Früher konnten Defekte nur mit einer Empfindlichkeit von etwa einem Prozent gemessen werden. In dieser Studie haben wir die Defektkonzentration mit exquisiter Genauigkeit gemessen.“

Peter Khalifah (links) mit seinen Studenten und Ko-Autoren Gerard Mattei (Mitte) und Zhuo Li (rechts) in ihrem Labor in Brookhaven.
Peter Khalifah (links) mit seinen Studenten und Ko-Autoren Gerard Mattei (Mitte) und Zhuo Li (rechts) in ihrem Labor in Brookhaven.
(Bild: Brookhaven National Laboratory)

Um diese Präzision zu erreichen, führten die Wissenschaftler Pulverdiffraktions-Analysen durch, wobei sie Daten von zwei DOE Office of Science User Facilities, der Advanced Photon Source (APS) im Argonne National Laboratory des DOE und der Spallations-Neutronenquelle (SNS) im Oak Ridge National Laboratory des DOE verwendeten. Mit dieser Methode lässt sich die Lage einzelner Atome innerhalb eines Materials aufdecken, indem Strahlen von Röntgenstrahlen, Neutronen oder Elektronen auf das Material gerichtet werden und untersucht wird, wie die Strahlen gebeugt werden.

„Diese Arbeit hat eine neue Art und Weise entwickelt, strukturelle Defekte und ihre Beziehung zur Beugungs- und Streustärke zu visualisieren“, freut sich Saul Lapidus, ein Physiker in der Abteilung Röntgenwissenschaften am APS. „Ich erwarte, dass diese Technik in Zukunft in der Batterieforschung allgemein angewandt wird, um Defekte und strukturelle Charakterisierungen von Kathodenmaterialien zu verstehen.“

„Die Fähigkeit, die Konzentration schwach streuender Elemente mit einer Empfindlichkeit von einem Zehntelprozent zu messen, wird auch für viele andere Forschungsbereiche von Nutzen sein, beispielsweise die Messung von Sauerstoffleerständen in supraleitenden Materialien oder Katalysatoren“, ergänzt Khalifah. Mit solch genauen Messungen von Defektkonzentrationen könnten die Wissenschaftler dann die Beziehung zwischen Defekten und der Kathodenmaterialchemie untersuchen.

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