Ny proces til fremstilling af højspændingskatoder til lithium-ion-batterier

Strøm på farten er efterspurgt:Jo højere batterikapacitet, jo større rækkevidde af elbiler og jo længere driftstid på mobiltelefoner og bærbare computere. Dr. Jennifer Ludwig fra det tekniske universitet i München (TUM) har udviklet en proces, der tillader en hurtig, enkel, og omkostningseffektiv produktion af det lovende katodemateriale lithiumkoboltfosfat i høj kvalitet. Kemikeren blev tildelt Evonik Research Prize for sit arbejde.

Håbet er lyserødt:Pulveret, som Jennifer Ludwig omhyggeligt hælder i en glasskål, og som lyser lyserødt i lyset af laboratorielampen, har potentiale til betydeligt at forbedre fremtidige batteriers ydeevne. "Litiumkoboltphosphat kan lagre væsentligt mere energi end konventionelle katodematerialer, " forklarer kemikeren.

Arbejder i gruppen af ​​Tom Nilges, leder af professoratet i syntese og karakterisering af innovative materialer, kemikeren har udviklet en proces til at producere det lyserøde pulver hurtigt, med minimale mængder energi og i højeste kvalitet.

Batteriforskere har i nogen tid betragtet lithiumkoboltphosphat som et fremtidens materiale. Det fungerer ved højere spændinger end det traditionelt anvendte lithiumjernfosfat og dermed opnår en højere energitæthed - 800 watt timer pr. kg i stedet for lige under 600 watt timer.

Tidligere proces:dyr og energikrævende

Tidligere har imidlertid, produktionen af ​​det lovende højspændingskatodemateriale krævede en meget kompleks, energikrævende og ineffektiv proces under barske forhold med temperaturer på 800 °C. "Og krystallerne, der dannes under disse forhold, varierer i størrelse og skal males til nanokrystallinsk pulver på et sekund, energikrævende produktionstrin, " rapporterer Ludwig.

Desuden, de resulterende krystaller udviser tilstrækkelig ionisk ledningsevne i kun én retning. Over det meste af overfladen, den kemiske reaktion mellem elektrodematerialet og elektrolytten i batterierne forløber meget langsomt.

Skræddersyede krystaller

Mikrobølgesynteseprocessen udviklet af Jennifer Ludwig løser alle disse problemer på én gang:At opnå den højkvalitets lithium-koboltphosphat kræver kun en mikrobølgeovn og 30 minutters tid.

Reaktanterne anbringes i en teflonbeholder sammen med et opløsningsmiddel og opvarmes derefter. Blot 600 W er tilstrækkeligt til at opnå de 250 °C, der kræves for at stimulere krystaldannelsen.

De flade blodplader, der blev oprettet i processen, måler mindre end en mikrometer på tværs og er kun få hundrede nanometer tykke, med aksen for maksimal ledningsevne orienteret mod overfladen. "Denne form sikrer bedre elektrokemisk ydeevne, fordi lithium-ionerne kun behøver at bevæge sig korte afstande inde i krystallerne, " forklarer Ludwig.

Styre reaktionen

Kemikeren var også i stand til at løse et andet problem i løbet af hendes eksperimenter:Ved temperaturer over 200 °C og under højt tryk, i stedet for det ønskede lithiumkoboltphosphat, som hidtil er ukendt, kompleks kobolthydroxidhydrogenphosphatforbindelse dannes lejlighedsvis.

Jennifer Ludwig lykkedes at belyse reaktionsmekanismen, isolering af forbindelsen og bestemmelse af dens struktur og egenskaber. Da den nye forbindelse er uegnet som batterimateriale, hun modificerede reaktionen, så der kun produceres den ønskede lithiumkoboltfosfat.

"Med denne nye produktionsproces, vi kan nu skabe højtydende, blodpladeformede lithiumkoboltfosfatkrystaller med skræddersyede egenskaber i høj kvalitet, siger professor Nilges. en yderligere forhindring på vejen til nye højspændingsmaterialer er taget."