Die Kathodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien sind für den Betrieb von Elektrofahrzeugen unerlässlich. Ihre Herstellung ist jedoch stets mit komplexen und wasserintensiven Prozessen verbunden. Forscher haben jedoch kürzlich ein neues Verfahren entwickelt, mit dem die Trockensynthese und Steinsalzoxid bessere Batterien herstellen können. Dies könnte die Herstellungskosten und die Umweltbelastung deutlich senken.
Forschern der Dalhousie University ist es gelungen, ein vollständig trockenes Syntheseverfahren für NMC622-Kathodenmaterialien zu entwickeln. Dieses Verfahren könnte im Vergleich zu herkömmlichen Methoden Kosten senken und die Umweltbelastung minimieren.
Die Studie konzentrierte sich auf die Verwendung von Steinsalzoxid-Vorstufen (RS) zur Herstellung von NMC622-Kathoden. Die Forscher verglichen diese Methode mit dem herkömmlichen Ansatz mit Hydroxid-Vorstufen (HP) und untersuchten die Auswirkungen verschiedener Synthesebedingungen.
Wichtige Highlights
- Die Trockensynthese mit RS-Vorläufern ist vielversprechend für kostengünstige und umweltfreundliche Kathodenproduktion.
- Der Prozess erfordert höhere Mengen an Lithium, um Verdampfungsverluste auszugleichen und die Homogenität der Zusammensetzung zu verbessern.
- Flüssiges Li2CO3 dient während der Synthese als Flussmittel, Verbesserung der Kristallinität und schnelle Lithiierung des RS-Vorläufers.
- NMC aus RS-Precursoren mit 20 % überschüssiges Li zeigte eine ähnliche anfängliche Coulomb-Effizienz, Polarisation und Kapazitätserhaltung wie NMC aus HP-Vorläufern.
„ Die Herstellung von Lithium-Ionen-Kathodenmaterial verbraucht viel Energie und Wasser und erzeugt Abfall. Sie hat die größten Auswirkungen auf die Umwelt, insbesondere auf den CO2-Fußabdruck der Batterie “, sagt Dr. Mark Obrovac.
Die strukturellen und morphologischen Eigenschaften der synthetisierten Materialien wurden von den Forschern mithilfe verschiedener Charakterisierungstechniken analysiert, wie zum Beispiel:
- Röntgenbeugung (XRD)
- Rasterelektronenmikroskopie (REM)
- Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS)
Sie fanden heraus, dass die besten Kathoden aus Einkristallen mit etwa 5 Mikrometer großen Partikeln bestehen. Durch die Optimierung der Inhaltsstoffe und der Heizbedingungen entwickelte das Forschungsteam Kathoden vergleichbarer Qualität in einem rein trockenen Herstellungsverfahren. Diese Kathoden erreichen die Leistung der aktuell auf dem Markt erhältlichen Spitzenprodukte.
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Challenges
- Lithium reagiert bei einer Erhitzung unter 723 °C langsamer mit RS-Vorläufern als mit HP-Vorläufern.
- Batterien aus NMC von RS-Vorläufern haben eine weniger einheitliche Zusammensetzung und daher eine geringere Kapazität als Batterien aus HP-Vorläufern.
- Für bessere Batterien müssen die Forscher die Reaktion des Lithiums in der RS-Vorläufermethode konsistenter und schneller machen.
Potenzielle Maßnahmen im Gange
Dr. Obrovac arbeitet mit NOVONIX , einem Batteriehersteller aus Nova Scotia, zusammen. In ihrer Pilotanlage in Dartmouth stellen sie Kathodenmaterialien mithilfe von Trockenverfahren her. Die Anlage kann jährlich 10 Tonnen Kathodenmaterial produzieren.
Im Vergleich zu herkömmlichen Nassverfahren bietet ihr Verfahren:
- 30 % geringere Einrichtungskosten
- 50 % geringere Betriebskosten
- 25 % weniger Energieverbrauch
- Kein Bedarf an aufbereitetem Wasser
- Null Abfallerzeugung
„ Das sind gewaltige Zahlen, es ist ein echter Quantensprung in der Produktion dieser Batteriematerialien. Das sollte insgesamt zu kostengünstigeren Batterien mit einer deutlich geringeren Umweltbelastung führen “, fügt Dr. Mark Obrovac hinzu.
Fazit
Dieses Verfahren bietet großes Potenzial, die Batterieproduktion umweltfreundlicher und kostengünstiger zu gestalten. Die Elektrofahrzeugindustrie könnte davon erheblich profitieren, auch wenn weiterhin Hindernisse bestehen. Im weiteren Verlauf der Forschung könnte sich die Bedeutung dieses innovativen Ansatzes für die Weiterentwicklung nachhaltiger Batterietechnologie als entscheidend erweisen.
