Zukunftsmaterial Li-Kobaltphosphat Erfolg bei der Herstellung von Hochspannungs-Kathoden

Elektronenmikroskopische Aufnahme der plättchförmigen Lithium-Kobaltphosphat-Kristalle.
Elektronenmikroskopische Aufnahme der plättchförmigen Lithium-Kobaltphosphat-Kristalle.

Lithium-Ionen-Akkus müssen leistungsfähiger und zuverlässiger werden. Nun wurde ein Forschungserfolg bei der Herstellung neuer Hochspannungs-Kathoden-Materialien erzielt: die schnelle und kostengünstige Erzeugung von Lithium-Kobaltphosphat.

Power für unterwegs ist gefragt: Je leistungsfähiger der Akku, desto größer die Reichweite von Elektroautos und desto länger die Betriebszeit von Handys und Laptops. Darum findet weltweit eine intensive Forschung an neuen Hochspannungs-Kathoden-Materialien statt.

Dr. Jennifer Ludwig von der TU München hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich das vielversprechende Hochspannungs-Kathodenmaterial Lithium-Kobaltphosphat schnell, einfach, günstig und in hoher Qualität herstellen lässt.

Die Hoffnung ist pink

Das Pulver, das Dr. Jennifer Ludwig (Bild) in eine Glasschale schüttet und das im Licht der Laborlampe rosarot leuchtet, könnte das Potenzial haben, Akkus in Zukunft noch leistungsfähiger zu machen. Denn das Pulver, also das Lithium-Kobaltphosphat kann erheblich mehr Energie speichern als herkömmliche Kathodenmaterialien.

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 Wh/kg  statt bisher knapp 600 Wh/kg sind möglich.

Bisherige Verfahren: Teuer und energieaufwendig

Bisher war die Herstellung des vielversprechenden Hochspanungs-Kathodenmaterials jedoch aufwendig, energieintensiv und wenig effizient: Man benötigte drastische Umgebungsbedingungen mit Temperaturen von 900 °C. Die Kristalle, die sich unter solchen extremen Bedingungen bilden, sind zudem unterschiedlich groß und müssen in einem zweiten energieintensiven Schritt erst zu nanokristallinem Pulver vermahlen werden.  

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 diese Probleme: Für die Gewinnung von hochreinem Lithium-Kobaltphosphat benötigt sie nur ein kleines Mikrowellen-Gerät und eine halbe Stunde Zeit.

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

Die sich dabei bildenden flachen Plättchen haben einen Durchmesser von weniger als 1 µm und eine Dicke von wenigen hundert Nanometern. Die Achse der höchsten 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«, erklärt Ludwig.

Gezielte Steuerung der Reaktion

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

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 lassen sich also in nur einem Prozessschritt die plättchenförmigen Li-Kobaltphosphat-Kristalle erstellen.

Unterstützt wurde Dr. 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.