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Nanoskalige Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

 

Lithium-Ionen-Batterien haben ein grosses Potenzial in der Elektromobilität. Um dieses Potenzial ausschöpfen zu können, besteht Entwicklungsbedarf bezüglich Energiedichte und Effizienz dieser Batterien. Die Hoffnung liegt in der Nanoskalierung der Aktivmaterialien.

Hintergrund (abgeschlossenes Forschungsprojekt)

Die meisten kommerziell erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien verwenden Lithium-Cobaltdioxid (LiCoO2) als Elektrodenmaterial. Beim Laden und Entladen der Batterie wandern die Lithiumionen durch dieses Elektrodenmaterial. Da bei herkömmlichen Batterien die Partikelgrösse des LiCoO2 im Mikrometerbereich liegt und damit recht gross ist, haben Lithiumionen grosse Mühe, durch das Material zu diffundieren. Die Effizienz herkömmlicher Batterien ist dadurch eingeschränkt. Liegt das LiCoO2 aber in Form von Nanopartikeln vor, sind die Diffusionswege kürzer und die Leitfähigkeit des Materials wird damit verbessert. Die Forschungsgruppe von Katharina Fromm untersuchte verschiedene Nanomaterialien und Produktionsmethoden, mit denen die Leistungsfähigkeit von Lithium-Batterien verbessert werden kann. In Zusammenarbeit mit anderen Forschungsgruppen des NFP 64 untersuchten sie ausserdem mögliche Gesundheitsrisiken, die beim Recycling solcher Batterien auftreten könnten.

Resultate

Die Experimente dieses Projektes zeigten, dass die Leistung von Lithium-Batterien durch Nanoskalierung des Elektrodenmaterials optimiert werden können. In einem ersten Teilprojekt konnte durch ein neu etabliertes Produktionsverfahren Aktivmaterial aus LiCoO2 mit Partikelgrössen im nanoskaligen Bereich hergestellt werden. Es zeigte sich, dass die Diffusion der Lithiumionen in dem nanoskaligen Elektrodenmaterial rund 100 Mal schneller ist als in herkömmlichem Elektrodenmaterial. Weiter wurde ein ganz neues Elektrodenmaterial aus LiMnPO4, nanoskalig und in verschiedenen Formen und Korngrössen, hergestellt. Die Batteriequalität des Materials wurde an echten Knopfzellen getestet und es war möglich, das Elektrodenmaterial so zu optimieren, dass eine maximale Ladungsdichte erreicht wurde. Um mögliche Gesundheitsrisiken in Zusammenhang mit dem Recycling solcher Batterien zu identifizieren, wurde in Zusammenarbeit mit Barbara Rothen-Rutishauser der Effekt der Nanopartikel im Vergleich zu Mikropartikel auf Lungenzellen untersucht. Die Resultate deuten darauf hin, dass die Reaktion der Lungenzellen unterschiedlich ist je nachdem ob die Lithium-Ionen in nano- oder herkömmlicher Form vorliegen. Langzeitstudien und Experimente mit höheren Konzentrationen sind aber notwendig, um diese Resultate zu bestätigen.

Bedeutung

Dieses Projekt zeigt auf, wie durch Nanoskalierung von Aktivmaterial die Leistung von Lithium-Ionen Batterien gesteigert werden kann, ohne dabei Einbussen bezüglich der Energiedichte zu bewirken. Die Erkenntnisse machen damit deutlich, dass Nanotechnologie im Bereich der Energiespeicherung viele grundlegende Probleme der konventionellen Batterien lösen kann. Des Weiteren liefert das Projekt wichtige Daten die Gesundheitsrisiken zu evaluieren, die sich bei der Produktion und beim Recycling solcher Batterien ergeben können.

Originaltitel

Chances and Risks of Nanoscale Electrode Materials for Li-Ion-Batteries

Projektleitung

  • Prof. Katharina M. Fromm

Weitere Gesuchstellende

  • Prof. Barbara Rothen-Rutishauser

 

 

Weitere Informationen zu diesem Inhalt

 Kontakt

Prof. Katharina M. Fromm Département de chimie
Université de Fribourg
Ch. du Musée 9 1700 Fribourg +41 26 300 8732 katharina.fromm@unifr.ch