operaXX – Aufklärung der Alterungsmechanismen neuartiger Kathodenaktivmaterialien via operando XAS/XES

In diesem Projekt sollen die Alterungsmechanismen neuer Kathodenaktivmaterialien (KAM) aufgeklärt werden; ausgehend von heute verwendeten Ni-reichen (Ni+Co+Mn) NCMs liegt der Fokus auf kostengünstigeren und potentiell kobaltfreien und Li- und Mn-reichen NCMs (LMRNCMs). Die Auflösung der KAM Übergangsmetalle (ÜM) und deren Abscheidung auf der Graphit- oder Silizium-Anode wurde als limitierender Prozess identifiziert, ohne jedoch die zugrundeliegenden Mechanismen im Detail zu verstehen. Dieser Prozess kann nur durch Untersuchungen unter realen Betriebsbedingungen aufgeklärt werden. Die notwendige operando Charakterisierung erfordert eine signifikante Weiterentwicklung der Messmethodik im Hinblick auf die Kompatibilität der Analytik- zur operando Probenumgebung.

Die Ziele des Projektes umfassen die

  • Quantifizierung der ÜM-Auflösung Ni-reicher KAMs (operando hXAS)
  • Untersuchung der ÜM-Abscheidung auf Graphit Anoden (operando hXAS)
  • Untersuchung der chemischen Strukturänderung von KAMs (ex-situ und operando sXAS/RIXS)
  • Ertüchtigung einer neuartigen sXAS Zelle
  • Korrelation der hohen Sauerstoff-Redoxaktivität und der Ruhepotential Hysterese von LMR-NCMs
  • Korrelation von ÜM-Auflösung, Kapazitätsverlust und Ratenfähigkeit mit spektroskopischen und berechneten DFT und MBPT Ergebnissen

Die Ergebnisse dieses Projektes werden dazu beitragen, die genannten Alterungserscheinungen von Aktivmaterialien in Voll‐Zellen im Detail zu verstehen. Dadurch werden Voraussagen zur Langzeitstabilität, z.B. als Funktion der Zyklenzahl und der Betriebstemperatur möglich. So sind schon in einem sehr frühen Stadium der Wertschöpfungskette gezielte Empfehlungen für die Materialauswahl/Zelloptimierung möglich, was einen schnelleren Transfer von Forschungsergebnissen auf Materialebene in kommerzielle Zellen erlaubt. Dies verspricht einen schnellen Wissenstransfer in die industrielle Anwendung.

Multimodale Analyse von kathodenaktiven Materialien vorgeschlagen im Projekt

Im Mittelpunkt des Projektes steht die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses der Stabilität von Ni‐reichen NCMs, die für den Einsatz in Hochenergie‐Batterien vorgesehen sind, sowie von Li‐ und Mn‐reichen KAMs, die nicht nur eine Reduzierung der Materialkosten ermöglichen sondern auf Basis von experimentellen Befunden mittelfristig auch als Kobalt‐freie Materialien hergestellt werden können und somit eine nachhaltige und kostengünstige Herstellung von Kathodenaktivmaterialien für Lithiumionenbatterien versprechen, was zur Umsetzung des „grünen Batterie“‐Konzeptes beiträgt.

Kontakt

HZB
Prof. Dr.-Ing. Marcus Bär
Albert-Einstein-Str 15
12489 Berlin
+49 (0)30 8062 15641
marcus.baer@helmholtz-berlin.de

TUM – Hubert Gasteiger
Prof. Dr. Hubert Gasteiger
Lichtenbergstraße 4
85748 Garching
+49 (0)89 289 13628
hubert.gasteiger@tum.de

Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
Prof. Dr. Caterina Cocchi
Carl-von-Ossietzky-Straße 9
26129 Oldenburg
+49 (0)441 798 3578
caterina.cocchi@uni-oldenburg.de

Projektlaufzeit

01.11.2020 – 31.10.2023

Beteiligte Partner