Wechselwirkung von Wasser und wässrigen Säuren mit Lithiumübergangsmetalloxiden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Kombination von LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) als Kathodenmaterial mit wasserbasierten Elektrodenherstellungsprozessen ist eine vielversprechende Strategie, um die Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) der nächsten Generation zu erhöhen, indem kritische Rohstoffe wie Kobalt sowie heute eingesetzte toxische Lösungsmittel, wie N-Methyl-2- Pyrrolidon (NMP) und fluorhaltige Binder wie Polyvinylidenfluorid (PVdF), durch Wasser und Biopolymere ersetzt werden. Dabei stellt die ausgeprägte Sensitivität von LNMO gegenüber Wasserkontakt eine Herausforderung dar, die vor einer möglichen industriellen Nutzung überwunden werden muss. Die zugrundeliegenden Prozesse sind jedoch auf atomarer Ebene kaum erforscht, so dass Abhilfestrategien bisher eher auf empirischen Ansätzen als auf Verständnis beruhen. Im Rahmen dieses Projekts haben wir einkristalline LNMO-Partikel mit hochdefinierter Exposition spezifischer Oberflächenfacetten verwendet, um ihre Wechselwirkung mit Wasser und typischen Additiven sowie die daraus resultierenden Auswirkungen auf die wässrige Prozessierung zu untersuchen. Daher haben wir eine Synthesestrategie entwickelt, die ein sorgfältiges Design solcher Partikel und ihrer Eigenschaften ermöglicht. Darauf aufbauend geben wir Einblicke in die Auswirkungen von Wasser auf diese Materialien, wobei wir insbesondere die Rolle des Oxidationszustands von Übergangsmetallen und das Präsenz von Phosphaten während der Prozessierung hervorheben. Abschließend stellen wir eine optimierte wässrige Verarbeitungsstrategie vor, die auf Carrageenan und Zitronensäure als Binder und Phosphorsäure als Additiv basiert.
