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Elektrodenmaterialien aus der Mikrowelle

18.10.2017

Neues Verfahren zur Synthese von Hochvolt-Kathoden für Lithiumionen-Akkus

Power für unterwegs ist gefragt: Je leistungsfähiger der Akku, desto größer die Reichweite von Elektroautos und desto länger die Betriebszeit von Handys und Laptops. Dr. Jennifer Ludwig von der Technischen Universität München (TUM) hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich das vielversprechende Hochvolt-Kathodenmaterial Lithium-Kobaltphosphat schnell, einfach, günstig und in höchster Qualität herstellen lässt. Für ihre Arbeit erhielt die Chemikerin den Evonik Forschungspreis.


Pinkfarbenes, mikrokristallines Lithium-Kobaltphosphat-Pulver.

Foto: Andreas Battenberg / TUM


Elektronenmikroskopische Aufnahme der plättchförmigen Lithium-Kobaltphosphat-Kristalle

Bild: Katia Rodewald / TUM

Die Hoffnung ist pink: Das Pulver, das Jennifer Ludwig vorsichtig in eine Glasschale schüttet und das im Licht der Laborlampe rosarot leuchtet, hat das Potenzial, Akkus in Zukunft noch leistungsfähiger zu machen. „Das Lithium-Kobaltphosphat kann erheblich mehr Energie speichern als herkömmliche Kathodenmaterialien“, erklärt die Chemikerin.

Die Mitarbeiterin von Tom Nilges, Inhaber der Professur für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien, hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich das pinke Pulver schnell, mit geringem Energieaufwand und in bester Qualität herstellen lässt.

Lithium-Kobaltphosphat gilt unter Batterieforschern seit einiger Zeit als Material der Zukunft. Es arbeitet bei höherer Spannung als das bisher verwendete Lithium-Eisenphosphat und erreicht daher eine höhere Energiedichte – 800 Wattstunden pro Kilogramm statt bisher knapp 600 Wattstunden.

Bisherige Verfahren: teuer und energieaufwändig

Bisher war die Herstellung des vielversprechenden Hochvolt-Kathodenmaterials jedoch aufwändig, energieintensiv und wenig effizient: Man benötigte drastische Bedingungen mit Temperaturen von 900 Grad.

„Die Kristalle, die sich unter diesen extremen Bedingungen bilden, sind zudem unterschiedlich groß und müssen in einem zweiten energieintensiven Schritt erst zu nanokristallinem Pulver vermahlen werden“, berichtet Ludwig.

Die entstehenden Körnchen besitzen zudem nur in einer Richtung genügend ionische Leitfähigkeit. Auf dem größten Teil der Oberfläche läuft die chemische Reaktion zwischen Elektrodenmaterial und Elektrolyt im Akku nur schleppend ab.

Kristalle nach Maß

Die von Jennifer Ludwig entwickelte Mikrowellen-Synthese löst all diese Probleme auf einen Schlag: Für die Gewinnung von hochreinem Lithium-Kobaltphosphat benötigt man nur ein kleines Mikrowellen-Gerät und eine halbe Stunde Zeit.

Die Reagenzien werden zusammen mit einem Lösungsmittel in einem Teflon-Behälter erhitzt. Gerade einmal 600 Watt Leistung reichen aus, um die notwendige Temperatur von 250 Grad zu erzeugen und die Kristallbildung anzuregen.

Die sich dabei bildenden flachen Plättchen haben einen Durchmesser von weniger als einem Mikrometer, eine Dicke von wenigen hundert Nanometern, und die Achse höchster Leitfähigkeit ist in Richtung Oberfläche orientiert. „Diese Form sorgt für eine bessere elektrochemische Leistungsfähigkeit, weil die Lithium-Ionen nur kurze Wege im Kristall zurücklegen müssen“, erläutert Ludwig.

Gezielte Steuerung der Reaktion

Und noch ein weiteres Problem konnte die Chemikerin bei ihren Experimenten lösen: Bei Temperaturen von über 200 Grad und unter hohem Druck entsteht mitunter nicht das gewünschte Lithium-Kobaltphosphat, sondern ein bisher unbekanntes, komplexes Kobalt-Hydroxid-Hydrogenphosphat.

Jennifer Ludwig gelang es, den Reaktionsweg aufzuklären, die chemische Verbindung zu isolieren und dessen Struktur und Eigenschaften zu bestimmen. Da die neue Verbindung als Batteriematerial ungeeignet ist, modifizierte sie die Reaktionsbedingungen so, dass nur das gewünschte Lithium-Kobaltphosphat entsteht.

„Mit dem neuen Herstellungsverfahren können wir nun in einem einzigen Prozessschritt die leistungsfähigen, plättchenförmigen Lithium-Kobaltphosphat-Kristalle maßgeschneidert und in hoher Qualität herstellen“, urteilt Professor Nilges. „Damit ist eine weitere Hürde auf dem Weg zu neuen Hochvolt-Materialien überwunden.“

Unterstützt wurde Jennifer Ludwigs Arbeit von der TUM Graduate School, BMW, sowie dem Fonds der Chemischen Industrie. Die Untersuchung elektrochemischer Eigenschaften erfolgte in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der TU München. Struktur und Eigenschaften des komplexen Kobalt-Hydroxid-Hydrogenphosphats wurden in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) und dem Walther-Meißner-Institut (WMI) untersucht. Für die Entwicklung ihres neuen Synthese-Verfahrens erhielt Jennifer Ludwig den Evonik-Forschungspreis, den der Chemie-Konzern jährlich an herausragende Nachwuchswissenschaftler vergibt.

Publikationen:

Co11Li[(OH)5O][(PO3OH)(PO4)5], a Lithium-Stabilized, Mixed-Valent Cobalt(II,III) Hydroxide Phosphate Framework;
Jennifer Ludwig, Stephan Geprägs, Dennis Nordlund, Marca M. Doeff, and Tom Nilges;
Inorg. Chem., 2017, 56 (18), pp 10950–10961 – DOI: 10.1021/acs.inorgchem.7b01152
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.inorgchem.7b01152

Morphology-controlled microwave-assisted solvothermal synthesis of high-performance LiCoPO4 as a high-voltage cathode material for Li-ion batteries;
Jennifer Ludwig, Cyril Marino, Dominik Haering, Christoph Stinner, Hubert A.Gasteiger, Tom Nilges.
Journal of Power Sources, Vol. 342, 28 February 2017, Pages 214-223
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775316317554

Kontakt

Prof. Dr. Tom Nilges
Technische Universität München
Professur für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien
Lichtenbergstraße 4, 85747 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289-13111 – E-Mail: tom.nilges@lrz.tum.de – Web: www.acinnomat.ch.tum.de

Weitere Informationen:

https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/detail/article/34233/ Link zur Pressemitteilung
https://mediatum.ub.tum.de/1398305 Link zu Bildermaterial

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

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