US-Elektrofahrzeug-Batterieheizung bewahrt nach 500 Zyklen 93 % der Kapazität

Das Team geht davon aus, dass ihre neue Heiztechnik zu langlebigeren und kostengünstigeren Lithium-Ionen-(Li-Ion)-Batterien für netzgekoppelte Energiespeichersysteme, Rechenzentren und sogar Elektrofahrzeuge führen könnte. „In der Branche wurde es als selbstverständlich hingenommen, dass dieses Problem besteht und dass man einen teuren Umweg finden muss", sagte Hari Ramachandran, PhD, ehemaliger Absolvent der Stanford University und Senior Cell Engineer bei Tesla. „Aber wir haben einen Weg gefunden, um aus den einfachsten Ausgangsstoffen bessere Batterien herzustellen, ohne zusätzliche Kosten oder Schwierigkeiten.“ Verbesserung ählich an Leistung, da ihre Kathoden (die positiven Elektroden) durch wiederholtes Laden und Entladen mikroskopische Risse entwickeln.

Diese winzigen Brüche führen zu inneren Spannungen in der Batterie und begrenzen die Fähigkeit der Zelle, Energie zu speichern. Um diese Herausforderung zu bewältigen, haben die Forscher die Art und Weise verändert, wie nickelreiche Schichtoxid-Kathodenmaterialien während der Produktion erhitzt werden.

Durch langsames Beginnen und anschließendes schnelles Ansteigen der Temperatur erzeugten sie eine gleichmäßigere Struktur der Kathoden im Inneren der Partikel. Der neue Ansatz verringerte zudem die mechanische Beanspruchung und verhinderte die Entstehung schädlicher Mikrorisse. Darüber hinaus behielten die resultierenden Batterien nach insgesamt 500 Zyklen etwa 93 Prozent ihrer ursprünglichen Energiespeicherkapazität bei.

Haltbarkeit im Praxistest

William Chueh, PhD, Direktor des Stanford Precourt Institute for Energy und des SLAC-Stanford Battery Centers, betonte, dass die Batterien Energiespeicherkapazitäten erreichten, die mit den besten Ergebnissen vergleichbarer Batterietechnologien mithalten können. „Unser Team hat einen Weg gefunden, zusätzliche Fertigungsschritte und höhere Kosten zu vermeiden und dennoch langlebigere Batterien zu erhalten", fügte Chueh hinzu.

Verringerung der Zellbeanspruchung Gleichzeitig, um besser zu verstehen, wie der Heizprozess die Kathodenbildung beeinflusst, arbeitete das Team mit dem Brookhaven National Laboratory zusammen. Sie nutzten fortschrittliche Transmission-Röntgenmikroskopie, um die chemischen Reaktionen in Echtzeit zu beobachten.

Sie stellten fest, dass eine langsamere Anfangserhitzung verhindert, dass die Vorläufermaterialien poröse innere Strukturen bilden. Sobald stabilisiert, führte das schnelle Ansteigen der Temperatur zu einer gleichmäßigeren Schmelze des Lithiumhydroxids um die Partikel herum. Dies ermöglichte ein konsistenteres Kathoden-Design.

Um die strukturellen und chemischen Veränderungen

Um die strukturellen und chemischen Veränderungen während der Kathodensynthese zu überwachen, setzte das Team zudem Röntgenabsorptionsspektroskopie und Röntgendiffractionsverfahren am Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) des SLAC ein. „Manchmal ist der einfachste Hebel der mächtigste," fasste Donggun Eum, PhD, Postdoktorandin an der Stanford University und am SLAC sowie erste Autorin der Publikation, in einer Pressemitteilung zusammen. „Durch sorgfältige Steuerung des Heizschritts konnten wir die Stabilität der Batterie drastisch verbessern, ohne ihre Chemie zu verändern." Die Wissenschaftler glauben, dass einer der größten Vorteile der Methode darin besteht, dass sie keine zusätzlichen Fertigungsmaterialien oder aufwendigen Redesigns erfordert.

Nun planen sie, den Prozess für industrielle Öfen zu skalieren und zu testen, ob er auch andere Batteriesysteme verbessern kann. Die Studie wurde im Fachjournal Nature Energy veröffentlicht.