Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en samenwerkende instellingen bestudeerden structurele veranderingen tijdens de synthese van kathodematerialen voor toekomstige hoogenergetische lithium-ionbatterijen en verkregen nieuwe belangrijke bevindingen over degradatiemechanismen. Deze bevindingen kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van batterijen met een veel hogere capaciteit, waardoor de actieradius van elektrische voertuigen zou toenemen. De resultaten worden gerapporteerd in Natuurcommunicatie .

Tot dusver, doorbraak van elektrische mobiliteit wordt belemmerd door onvoldoende voertuigbereik, onder andere. Lithium-ionbatterijen met een verhoogde laadcapaciteit kunnen helpen. "We zijn bezig met het ontwikkelen van zulke hoogenergetische systemen, " zegt professor Helmut Ehrenberg, Hoofd van het Institute for Applied Materials-Energy Storage Systems (IAM-ESS). "Gebaseerd op fundamenteel begrip van elektrochemische processen in batterijen en door het innovatieve gebruik van nieuwe materialen, opslagcapaciteit van lithium-ionbatterijen kan naar onze mening tot 30% worden verhoogd." Bij KIT, dit onderzoek wordt uitgevoerd in het Center for Electrochemical Energy Storage Ulm &Karlsruhe (CELEST), het grootste Duitse onderzoeksplatform voor elektrochemische energieopslag. Ehrenberg is plaatsvervangend woordvoerder van CELEST.

De hoogenergetische lithium-iontechnologie verschilt van de conventionele technologie door een specifiek kathodemateriaal. In plaats van gelaagde oxiden met variërende verhoudingen van nikkel, mangaan, en kobalt die tot nu toe zijn gebruikt, mangaanrijke materialen met een overmaat aan lithium worden toegepast, die de energieopslagcapaciteit per volume/massa kathodemateriaal aanzienlijk verhogen. Echter, het gebruik van deze materialen is tot dusver met een probleem in verband gebracht.

Tijdens het inbrengen en extraheren van lithiumionen, d.w.z., basiswerking van een batterij, het hoogenergetische kathodemateriaal degradeert. Na een bepaalde tijd, het gelaagde oxide verandert in een kristalstructuur met zeer ongunstige elektrochemische eigenschappen. Als een ongewenst gevolg, de gemiddelde laad- en ontlaadspanning neemt vanaf het allereerste begin van het proces af, die tot dusver de ontwikkeling van geschikte lithium-ionbatterijen met hoge energie heeft verhinderd.

Nieuwe bevindingen over degradatie

Het exacte degradatiemechanisme werd nog lang niet volledig begrepen. Een team van onderzoekers van het KIT en samenwerkende instellingen heeft nu het basismechanisme beschreven in Natuurcommunicatie :"Op basis van gedetailleerde studies van het hoogenergetische kathodemateriaal, we ontdekten dat degradatie niet direct plaatsvindt, maar indirect via de vorming van een tot nu toe nauwelijks opgemerkte lithiumhoudende steenzoutstructuur, " zegt Weibo Hua (IAM-ESS), een van de hoofdauteurs van het onderzoek. "In aanvulling, zuurstof speelt een belangrijke rol bij de reacties." Afgezien van deze resultaten, het onderzoek laat ook zien dat nieuwe bevindingen over het gedrag van een batterijtechnologie niet per se direct het gevolg hoeven te zijn van het degradatieproces. Weibo en de andere betrokken wetenschappers deden hun ontdekking in studies die werden uitgevoerd tijdens het synthetiseren van het kathodemateriaal.

Deze bevindingen van het KIT markeren een belangrijke mijlpaal op weg naar hoogenergetische lithium-ionbatterijen voor elektrische auto's. Ze maken tests mogelijk van nieuwe benaderingen om degradatie in gelaagde oxiden te minimaliseren en de eigenlijke ontwikkeling van dit nieuwe batterijtype te starten.