Günstige Energiespeicher für Elektrofahrzeuge ZSW entwickelt kobaltfreies Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien

REM-Aufnahme von Pulverpartikeln des neuen Kathodenmaterials, das am ZSW entwickelt wurde.
REM-Aufnahme von Pulverpartikeln des neuen Kathodenmaterials, das am ZSW entwickelt wurde.

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg hat ein neues Kathodenmaterial für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Das Lithium-Nickel-Manganoxid erreicht eine bis zu 40 Prozent höhere Energiedichte als bisherige Materialien.

Den bisherigen Stand der Technik von Lithium-Ionen-Batterien repräsentieren nickel- und kobalthaltige Schichtoxide wie NCM (1:1:1), NCA oder die sich noch in Entwicklung befindlichen nickelreichen Schichtoxide NCM (8:1:1). Kobalt ist jedoch ein teurer und begrenzt verfügbarer Rohstoff und auch Nickel ist nicht besonders günstig. Das neue Material des Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg (ZSW) könnte diese Nachteile beseitigen und zugleich die Batterien für Elektrofahrzeuge künftig leistungsstärker, langlebiger und sicher machen.

Das Material mit der Formel Li1+xMn1.5Ni0.5O4 besitzt mit mehr als 210 mAh/g eine deutlich größere Speicherkapazität als heute verwendete oder in Entwicklung befindliche Kathodenmaterialien. Da die Entladespannung zum Großteil bei über 4,5 V liegt, ist auch eine bis zu 40 Prozent höhere Energiedichte der gesamten Batterie möglich. Batterien mit einer derart verbesserten Energiedichte verlängern die Reichweite von Elektrofahrzeugen signifikant.

Li1+xMn1.5Ni0.5O4 hat weitere Vorteile: Die thermische Stabilität im geladenen Zustand ist besser als bei den gängigen Kathodenmaterialien. Das führt zu einer höheren Sicherheit der Zellen. Auch die Lebensdauerwerte des neuen Batteriematerials sind erfreulich. Trotz der frühen Entwicklungsphase konnte eine gute Zyklenstabilität mit mehr als 150 Zyklen ohne Kapazitätsverlust in kompletten Zellen mit Graphit als Anode demonstriert werden.

Das Manganoxid lässt sich einfach über bekannte Verfahren herstellen. Erste Muster im Kilogrammmaßstab mit hoher Qualität haben die Forscher am ZSW bereits produziert. Das Pulver enthält sphärische Partikel mit einer hohen Klopfdichte von 2,4 g/cm³. Die Partikel sind ähnlich groß wie die heute verwendeter Kathodenmaterialien und können daher gut in kommerziellen Elektrodenbeschichtungsprozessen zum Einsatz kommen.