Er is veel vraag naar stroom onderweg:hoe hoger de batterijcapaciteit, hoe groter de actieradius van elektrische auto's en hoe langer de gebruiksduur van mobiele telefoons en laptops. Dr. Jennifer Ludwig van de Technische Universiteit van München (TUM) heeft een proces ontwikkeld dat een snelle, eenvoudig, en kosteneffectieve productie van het veelbelovende kathodemateriaal lithiumkobaltfosfaat in hoge kwaliteit. De chemicus kreeg voor haar werk de Evonik Onderzoeksprijs.

Hoop is roze:het poeder dat Jennifer Ludwig voorzichtig in een glazen kom giet en dat roze gloeit in het licht van de laboratoriumlamp, heeft het potentieel om de prestaties van toekomstige batterijen aanzienlijk te verbeteren. "Lithiumkobaltfosfaat kan aanzienlijk meer energie opslaan dan conventionele kathodematerialen, ’ legt de drogist uit.

Werkend in de groep van Tom Nilges, hoofd van het lectoraat Synthese en Karakterisering van Innovatieve Materialen, de chemicus heeft een proces ontwikkeld om het roze poeder snel te produceren, met minimale hoeveelheden energie en in de hoogste kwaliteit.

Batterijonderzoekers beschouwen lithiumkobaltfosfaat al geruime tijd als een materiaal van de toekomst. Het werkt op hogere spanningen dan het traditioneel gebruikte lithiumijzerfosfaat en dus bereikt een hogere energiedichtheid - 800 wattuur per kilogram in plaats van iets minder dan 600 wattuur.

Vorig proces:duur en energie-intensief

Eerder, echter, de productie van het veelbelovende hoogspanningskathodemateriaal vereiste een zeer complexe, energie-intensief en inefficiënt proces onder zware omstandigheden met temperaturen van 800 °C. "En de kristallen die zich onder deze omstandigheden vormen, variëren in grootte en moeten in een seconde worden vermalen tot nanokristallijn poeder, energie-intensieve productiestap, " meldt Lodewijk.

Verder, de resulterende kristallen vertonen voldoende ionische geleidbaarheid in slechts één richting. Over het grootste deel van het oppervlak, de chemische reactie tussen het elektrodemateriaal en de elektrolyt in de batterijen verloopt zeer langzaam.

Op maat gemaakte kristallen

Het door Jennifer Ludwig ontwikkelde microgolfsyntheseproces lost al deze problemen in één keer op:het verkrijgen van het hoogwaardige lithiumkobaltfosfaat vereist slechts een magnetron en 30 minuten tijd.

De reactanten worden samen met een oplosmiddel in een Teflon-container geplaatst en vervolgens verwarmd. Slechts 600 W is voldoende om de 250 °C te bereiken die nodig is om de kristalvorming te stimuleren.

De platte bloedplaatjes die daarbij ontstaan, hebben een diameter van minder dan een micrometer en zijn slechts een paar honderd nanometer dik. met de as van maximale geleidbaarheid naar het oppervlak gericht. "Deze vorm zorgt voor betere elektrochemische prestaties omdat de lithiumionen zich slechts over korte afstanden binnen de kristallen hoeven te verplaatsen, " legt Lodewijk uit.

De reactie sturen

De scheikundige was in de loop van haar experimenten ook in staat om een ​​ander probleem op te lossen:bij temperaturen boven 200 °C en onder hoge druk, in plaats van het gewenste lithiumkobaltfosfaat een tot nu toe onbekende, soms wordt een complexe kobalthydroxide-waterstoffosfaatverbinding gevormd.

Jennifer Ludwig slaagde erin het reactiemechanisme op te helderen, het isoleren van de verbinding en het bepalen van de structuur en eigenschappen ervan. Aangezien de nieuwe verbinding niet geschikt is als batterijmateriaal, ze wijzigde de reactie zodat alleen het gewenste lithiumkobaltfosfaat wordt geproduceerd.

"Met dit nieuwe productieproces, kunnen we nu hoogwaardige, bloedplaatjesvormige lithiumkobaltfosfaatkristallen met op maat gemaakte eigenschappen in hoge kwaliteit, " zegt professor Nilges. "Dus, een nieuwe hindernis op de weg naar nieuwe hoogspanningsmaterialen is genomen."