Eine Studie der Hanbat National University zeigt, dass eine Kationenstörung lithiumreiche Kathoden verbessern könnte
Experimente zeigen, dass eine ungeordnete Struktur den Lithiumtransport fördert und gleichzeitig einen Leistungsabfall verhindert.
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Lithiumreiche Kathodenmaterialien sind vielversprechende Kandidaten für Batterien der nächsten Generation, da sie deutlich mehr Ladung speichern können als die Materialien, die heute in Elektrofahrzeugen und Elektronikgeräten verwendet werden. Da die Kapazität der Kathode maßgeblich dafür ist, wie viel Energie eine Batterie speichern kann, könnten lithiumreiche Materialien letztendlich zu Batterien mit höherer Energiedichte führen, wodurch Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeuge mit einer einzigen Ladung länger betrieben werden könnten.
Allerdings stehen lithiumreiche Kathoden vor einem seit langem bekannten Problem. Während des Lade- und Entladevorgangs können Übergangsmetallionen wie Nickel und Mangan von ihren ursprünglichen Positionen in der Kristallstruktur abwandern. Diese wandernden Ionen können die Wege versperren, die Lithiumionen zurücklegen müssen, wodurch die Bewegung des Lithiums verlangsamt wird und es im Laufe wiederholter Ladezyklen zu einem irreversiblen Leistungsverlust kommt. Wissenschaftler haben bisher meist versucht, dieses Problem durch die Erhaltung einer geordneten Kristallstruktur in der Kathode anzugehen, in der Annahme, dass eine geordnete Anordnung dem Lithium einen freieren Weg bahnen würde. Doch was wäre, wenn der gegenteilige Ansatz besser wäre?
In einer kürzlich in „Energy Storage Materials“ veröffentlichten Studie untersuchte ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Kyojin Ku vom Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Hanbat National University in Korea diese Frage, indem es die atomare Struktur einer lithiumreichen Kathode gezielt störte. Ihre Arbeit wurde am 18. Juli 2026 online veröffentlicht und erschien am 1. August 2026 in Band 90 der Fachzeitschrift.
Das Team konzentrierte sich auf Li1,2Ni0,4Mn0,4O₂, eine Nickel-Mangan-Zusammensetzung, bei der auf teure Metalle wie Kobalt verzichtet wird. Diese spezielle Zusammensetzung bildet normalerweise eine ordentlich geschichtete Struktur, in der Lithium- und Übergangsmetallionen (Nickel und Mangan) in getrennten Ebenen angeordnet sind. Um die gewünschte ungeordnete Form zu erzeugen, setzten die Forscher ein hochenergetisches Kugelmahlen mit zwei strukturell kompatiblen, geschichteten Ausgangsmaterialien ein. Dieser mechanochemische Prozess störte die Anordnung der Kationen, was zu einer Kristallstruktur führte, in der Lithium- und Übergangsmetallionen zufälliger verteilt sind. „Nach unserem Kenntnisstand ist dies das erste Mal, dass diese Art von Zusammensetzung in ungeordneter Form hergestellt wurde“, bemerkt Prof. Ku.
Durch den Vergleich des ungeordneten Materials mit seinem geordneten Gegenstück stellten die Forscher fest, dass die ungeordnete Version ein symmetrischeres Lade- und Entladeverhalten zeigte, eine höhere Kapazität lieferte und bei hohen Strömen eine bessere Leistung erbrachte. Darüber hinaus wies sie einen stabilen Betrieb auf und behielt nach 50 Zyklen etwa 90 % ihrer ursprünglichen Kapazität bei, ohne dass es zu einem Spannungsabfall kam.
Detaillierte theoretische und rechnergestützte Analysen trugen dazu bei, die beobachteten Verbesserungen zu erklären. „Indem wir die Atome gezielt in eine ungeordnete Steinsalz-Anordnung gebracht haben, haben wir die Bewegung des Lithiums von der schädlichen Bewegung der Übergangsmetalle entkoppelt“, erklärt Prof. Ku. „Lithium fließt weiterhin effizient durch ein verbundenes Netzwerk offener Wege, während die Übergangsmetalle effektiv an ihrem Platz fixiert werden und diese Wege nicht mehr blockieren können.“
Insgesamt weisen die Ergebnisse auf einen innovativen und wirkungsvollen Ansatz zur Entwicklung von Kathoden mit höherer Energiedichte hin. „Wir haben gezeigt, dass die Kationenunordnung als gezieltes technisches Mittel genutzt werden kann, um ein Problem zu lösen, das eine ganze Familie von Hochenergie-Batteriematerialien seit Jahren zurückhält“, fasst Prof. Ku zusammen. „Wenn dieses Prinzip weiterentwickelt wird, könnte es dazu beitragen, lithiumreiche Kathoden näher an den tatsächlichen kommerziellen Einsatz heranzuführen und den Weg für langlebigere Batterien für Elektrofahrzeuge und Energiespeicher zu ebnen.“
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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