Wechselwirkung von Wasser und wässrigen Säuren mit Lithiumübergangsmetalloxiden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Dominic Bresser; Professorin Dr. Ute Kaiser
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468604448

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind heutzutage ein essentieller Bestandteil unserer mobilen Gesellschaft und gelten zudem als Schlüsseltechnologie für eine erfolgreiche Energiewende. Nicht zuletzt aufgrund dieses großen Erfolges und der herausragenden industriellen Bedeutung ist die Forschung an LIBs im Wesentlichen sehr anwendungsorientiert in dem Bestreben, die existierenden und verbleibenden Herausforderungen zu lösen. Eine dieser Herausforderungen betrifft die Verwendung von Wasser als „grünem“ Lösungsmittel für die Herstellung der Kathode, da die aktuell meistverwendeten Aktivmaterialien hochempfindlich sind gegenüber Feuchtigkeit. Daher gibt es weltweit Bestrebungen dies von der Anwendung her zu adressieren – bspw. die Entwicklung neuer Bindermaterialien, die Zugabe geeigneter Prozessadditive sowie die Applizierung schützender Beschichtungen. Unseres Wissens nach existiert jedoch noch keine systematische Untersuchung der zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen und strukturellen Veränderungen auf atomarer Ebene an der Partikeloberfläche.Im Rahmen von H2O-LiMO werden wir genau diese systematische Untersuchung der ablaufenden Prozesse an der Oberfläche der Lithiumübergangsmetalloxid-Partikel vernehmen. Wir werden exemplarisch zunächst für kobaltfreies LiNi0,5Mn1,5O4 erforschen, welche Änderungen vorliegen, wenn die Partikel in Kontakt mit Wasser kommen. –Als Hochenergie-Kathodenmaterial ist kobaltfreies LiNi0,5Mn1,5O4 für die nächste Generation an LIBs am vielversprechendsten. Zu diesem Zweck kombinieren wir sich hervorragend ergänzende und besonders geeignete experimentelle Methoden, insbesondere hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie, Feinbereichsbeugung, Elektronen-energieverlustspektroskopie und Elektrochemie, i.e. die Kernkompetenzen der beiden beteiligten Partner an der Universität Ulm und am Helmholtz-Institut Ulm. Das entwickelte grundlegende Verständnis dieser Prozesse wird uns dann auch erlauben, eine fundierte Erklärung für den positiven Einfluss der Zugabe von milden (anorganischen) Säuren während der Elektrodenfertigung zu entwickeln, um somit schlussendlich die Lithium-Ionen-Technologie insgesamt nachhaltiger zu gestalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Johannes Biskupek; Professor Dr. Stefano Passerini, Ph.D.