Nanostrukturierte Lithium-Ionen-Batterien

Trotz ihrer technologischen Bedeutung sind Li-Ionen-Batterien Lowtech-Geräte. Elektroden werden typischerweise hergestellt, indem die Ausgangswerkstoffe zerkleinert, zu einer Paste verarbeitet und gesintert werden, so dass eine poröse Schicht entsteht. Bei diesem Vorgehen lässt sich die Porosität nicht fein auf einen optimalen elektrochemischen Prozess abstimmen. Da sich die Ionen-Interkalation auf einer Nanoskala abspielt, sind für eine maximale Energiedichte der Batterien grundsätzlich nanoporöse Elektroden erforderlich. Eine hohe Nanoporosität führt aber zu Diffusion, zu einem beschränkten Li-Ionen-Transport zur Elektrodenoberfläche und typischerweise zu einer mechanischen Instabilität des Materials bei den Ladezyklen. Dies reduziert die Nutzbarkeit von nanostrukturierten Materialien in Li-Ionen-Batterien erheblich.

Aufgrund der aktuellen Batterie-Herstellungsprozesse und der Überlegungen im Abschnitt "Hintergrund" müssen verbesserte Materialien für die Elektrodenherstellung verschiedene Anforderungen erfüllen. Sie sollten

1. mit den aktuellen Herstellungsprozessen kompatibel und
2. günstig sein, aber
3. die Einstellung der Porengrösse bis hinunter in den Nanometerbereich ermöglichen.

In diesem Projekt sollten daher Partikel in einer Grösse hergestellt werden, die dem granulösen Material entspricht, das typischerweise in der industriellen Batterieherstellung verwendet wird, aber mit einer internen Porosität, die während der Synthese dieser Partikel genau eingestellt werden kann. Im Falle einer Massenproduktion könnte ein solches System im Rahmen der gängigen Batterieherstellung eingesetzt werden für Li-Ionen-Batterien mit einer höheren Kapazität, einem besseren Ladewirkungsgrad bei schneller Ladung und Entladung und einer besseren Zyklierbarkeit (geringer Kapazitätsverlust nach vielen Entlade- und Ladezyklen).

Der Ansatz, um die oben genannten Ziele zu erreichen, bestand in der Kombination einer Sol-Gel-Synthese von anorganischen Materialien mit Blockcopolymer-Selbstorganisation, wie sie von der Gruppe von Steiner für andere Materialfunktionalitäten (z. B. Photovoltaik, Optik) bereits gezeigt wurde. Der ursprüngliche Ansatz verwendete deshalb den Aufbau von Blockcopolymeren mit Sol-Gel-Prozessen zur Herstellung nanostrukturierter Anatas/Titanoxid-Kugeln von mehreren Mikrometern Durchmesser. Dies ist ein Machbarkeitsnachweis, dass Materialien für Batterien mit streng kontrollierten hierarchischen Morphologien vom Nanometer- bis zum Mikrometerbereich leicht synthetisiert werden können. Dieses Vorgehen wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Nottingham um einen zweiten ergänzenden Ansatz erweitert, bei dem ähnliche nanostrukturierte, selbstorganisierte Polymer-Kugeln in überkritischem CO2 synthetisiert wurden. Beide Ansätze dienen als generische Plattform für die Herstellung einer Reihe von anorganischen Materialien für Batterie-Elektroden. Der Nutzen dieses Ansatzes wurde belegt durch die Herstellung von hierarchisch mesoporösem Lithium-Eisenphosphat, einem gängigen Kathodenmaterial für Batterien. In einer Lithium-Halbzelle zeigten mit industriellen Standardprozessen abgelagerte mesoporöse Li-Eisenphosphat-Elektroden eine aussergewöhnliche Zyklierbarkeit und eine hervorragende Lebenszyklusdauer. Auch Lithiummetatitanat, das häufig als passendes Anodenmaterial eingesetzt wird, wurde in ähnlicher Weise als mesoporöse Kugeln synthetisiert. Wie bei Lithium-Eisenphosphat wurden hervorragende mechanische und elektrochemische Eigenschaften gefunden. Insgesamt wurden im Rahmen dieses Projekts Elektrodenmaterialien mit genau definierter Porosität synthetisiert, welche die Leistungsmerkmale von Batterien erheblich verbessern, wobei die Herstellung mit den Standard-Produktionsprozessen kompatibel bleibt..

Bedeutung für die Forschung

Diese Ergebnisse bringen das Verständnis der Rolle der Elektrodenstrukturen für die Leistungsfähigkeit von Elektrodenmaterial in Batterien erheblich weiter. Sie sind eine gute Grundlage für die Anwendung dieses Ansatzes auf eine breite Palette von Elektrodenmaterialien, die ihrerseits weitere innovative Forschung auslösen dürfte. Die Ergebnisse wurden in relevanten wissenschaftlichen Fachzeitschriften publiziert. Die Arbeit verbesserte die Sichtbarkeit der Schweizer Batterieforschung auf internationaler Ebene.

Bedeutung für die Praxis

Die Ergebnisse dieses Projekts haben das Potenzial zur industriellen Implementierung, für eine baldige Anwendung müssen jedoch weitere Marktanforderungen erfüllt werden.

Hierarchically structured materials for super-capacitors and batteries