Leistungsoptimierte Kathodenmaterialien LiMxMn2-xO4 (M = Cr, Fe, Co, Ni) für Lithium-Ionenbatterien mit sehr hoher Spannung

• Antragsteller: Professor Dr. Helmut Ehrenberg
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 47715256

Die Reichweite von Elektrofahrzeugen ist durch die Kapazität der Batterien bestimmt und wird zu einem großen Teil von den Leistungsmerkmalen der Kathodenmaterialien begrenzt. Substituierte Li-Mn-Spinelle sind besonders aussichtsreiche Kandidaten für Kathoden mit hoher spezifischer Energiedichte, da sowohl hohe Zellspannungen als auch hohe Stromdichten zugänglich sind. Der Ni-haltige Spinell LiNi0.5Mn1.5O4 (LNM) mit den aktuell besten elektrochemischen Kenndaten weist allerdings strukturelle und chemische Freiheitsgrade wie Kationenordnung und Sauerstoffleerstellen auf, die einen sehr großen Einfluss auf die Leistungsmerkmale haben und nur durch aufwendige Neutronenbeugungsexperimente zuverlässig erfasst werden können. Diese Freiheitsgrade hängen stark von den Synthesebedingungen und der Elektrodenpräparation ab und sind dafür verantwortlich, dass die konkreten Eigenschaften nur begrenzt reproduzierbar sind und in der Literatur widersprüchlich beschrieben werden. In diesem Projekt werden die einzelnen strukturellen und chemischen Freiheitsgrade genau erfasst, sowohl im Hinblick auf deren Kontrolle durch die hierfür relevanten Parameter bei der Probenpräparation als auch bezüglich ihrer Auswirkungen auf die resultierenden Leistungsmerkmale. Die Instabilität von Mn4+ bei hohen Temperaturen gegenüber Sauerstoffabgabe und die Verschlechterung der Zyklenstabilität in Folge der Bildung von Mn3+ sind Nachteile von Mn-haltigen 5V-Kathodenmaterialien. Alternativ kommen Crhaltige Verbindungen in Betracht. Durch eine detaillierte Untersuchung der Eigenschaften von Kathoden aus LiCrMnO4 und LiCrTiO4, bei denen die Kationenverteilungen ebenfalls eine große Rolle spielen, sollen die relevanten Mechanismen in Mn-basierten Redoxsystemen mit denen in Cr-haltigen Verbindungen verglichen werden. Hieraus lassen sich auch Rückschlüsse über besonders günstige chemische Zusammensetzungen für neue Verbindungen als potenzielle Hochvolt-Kathodenmaterialien ziehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Dr. Wolfgang Gruner; Dr. Daria Mikhailova