Millionen-Meilen“-Batterie Nickelhaltige EinkristallKathoden

EINE NEUE, KRISTALLKLARE LÖSUNG INNOVATION ZUR VERGRÖSSERUNG DER REICHWEITE VON ELEKTROFAHRZEUGEN

Auf die Herkunft des Begriffs „Millionen-Meilen“-Batterie angesprochen, meint Dahn: „Das hat sich bei unserer Arbeit einfach so ergeben. Wir veröffentlichten einen Aufsatz und in einem Satz der Kurzfassung hieß es: ‚Wir haben nachgewiesen, dass Elektrofahrzeuge mit Akkus wie diesen eine Million Meilen fahren könnten.‘ Das ist bei den Medien wohl hängen geblieben.“ Für die Hersteller von Elektrofahrzeugen und die Entwickler von Akkus hat das Überwinden der Reichweitenvorbehalte der Verbraucher hohe Priorität. Professor Jeff Dahn von der Dalhousie University und sein Team am Institut für Physik und Atmosphärenwissenschaften im kanadischen Nova Scotia arbeiten an einer bahnbrechenden Einzelkristall-Technologie, die heute ein vielversprechender Kandidat ist, der dieses Problem in Zukunft lösen kann.

„Unser Ziel ist es, die Kosten zu senken, die Energiedichte zu erhöhen und die Lebensdauer von Li-Ionen-Zellen zu verbessern“, so Professor Dahn, ein anerkannter Pionier bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus, wie sie weltweit in Laptopcomputern und Mobiltelefonen eingesetzt werden. Bei Labortests konnte sein Team nachweisen, wie Einzelkristall-Technologie in nickelhaltigen Kathoden dem sog. Microcracking (Bildung von mikroskopischen Rissen) widerstehen kann, das bei typischen Elektrodenmaterialien auftritt. Dahn: „Typische Kathodenpartikel sind in der Regel in zufälligen Richtungen angeordnet. Beim Laden und Entladen, wenn Lithium wiederholt zwischen Schichten der Kathode eingeführt und dann extrahiert wird, ändert sich das Volumen. Diese Änderungen sind nicht in allen Richtungen gleich, und die Änderungen in der senkrecht zu den Schichten verlaufenden Richtung sind

sehr groß. Wenn sich zwei Primärpartikel berühren, kommt es zu diesem Volumenunterschied und dadurch evtl. auch zum Microcracking des Partikels, wodurch dieses in viele kleine Teile zerbricht. Damit gehen der elektrische Kontakt und der Zugang zur aktiven Masse der Kathode verloren.“

„Ein Einzelkristall-Partikel hingegen ist ein Kristallit, also ein etwa zwei bis drei Mikrometer großes Partikel. Dabei handelt es sich um einen ganzen Einzelkristall ohne Körnungsgrenzen, sodass das gesamte Partikel als Ganzes expandiert und sich zusammenzieht. Das bedeutet, dass das Aufrechterhalten einer elektrischen Verbindung mit diesen Partikeln während ihrer Expansion und Kontraktion recht einfach ist. Mit einem Einzelkristall kann während des gesamten Lade-Entladezyklus eine 100-prozentige Verbindung mit der aktiven Masse der Kathode aufrechterhalten werden – eine aufregende Sache!“

Das Dalhousie-Team arbeitet an verschiedenen nickelhaltigen EinzelkristallKathoden mit dem Vorteil, dass sie vielfache Lade- und Entladezyklen tolerieren und gleichzeitig eine hohe Energiedichte bieten. Ein von Dahn und seinem Team im Journal of The Electrochemical Society veröffentlichter Aufsatz kommt zu dem Schluss, dass „Zellen dieses Typs in der Lage sein sollten, ein Elektrofahrzeug über eine Strecke von mehr als 1,6 Millionen Kilometer anzutreiben und ihre Stromspeicherfähigkeit mindestens 20 Jahre lang zu behalten.“

20 Jahre Lebensdauer

Dadurch könnten die Akkupacks von Elektrofahrzeugen so lange wie das damit betriebene Fahrzeug selbst halten. Darüber hinaus entstehen durch den Wechsel auf einen Einzelkristall keine nennenswerten Mehrkosten.

„Wenn wir in unserem Labor Einzelkristalle herstellen, nehmen wir lediglich bei der Kristallzüchtung geringfügige Änderungen vor und behandeln den Kristall dann mit einer etwas höheren Temperatur. Beim gesamten Syntheseprozess gibt es keine fundamentalen Unterschiede.“

Im Endeffekt geht es um die Entwicklung der „Millionen-Meilen“-Batterie.

„Das zeigt, dass es wichtig ist, Tests über sehr lange Zeiträume durchzuführen. Von den in diesem Millionen-MeilenBatterie-Aufsatz beschriebenen Zellen werden manche immer noch getestet. Ich habe sie mir erst neulich wieder angesehen. Sie sind jetzt seit drei Jahren in Betrieb. Die Zimmertemperatur-Zellen haben inzwischen ca. 9500 Zyklen hinter sich (das ist weit mehr als eine Million gefahrene Meilen), und das bei einem Leistungsverlust von nicht einmal 10 Prozent. Ist das nicht unglaublich?“ (A, a), SEM-Bilder eines gewerblichen Einzelkristalls von Li[Ni0,5Mn0,3Co0,2] O2 (NMC532) (sog.SC-532) Material mit großer Korngröße von ca. 3 μm 1.

(B, b) SEM-Bilder von gewerblichem Polykristallin (NMC532) ohne Beschichtung (UC-532) 1.

1. Li J., Cameron A. R., Li H., Glazier S., Xiong D., Chatzidakis M., Allen J., Botton G. A. und Dahn J. R. 2017 J. Electrochem. Soc. 164 1534