Bild: Materialforschung beim ZSW (Foto:ZSW)

Neues kobaltfreies Kathodenmaterial verhilft Elektroautos zu mehr Reichweite

Die Batterie ist die Achillesverse des Elektroautos. Lange Ladezeiten und geringe Reichweiten schrecken potenzielle Kunden.

Ein neues Kathodenmaterial soll nun Abhilfe schaffen: Forscher vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) erhoffen sich von ihrer Entwicklung leistungsfähigere Batteriespeicher für die Elektromobilität.

Günstiger sollen die neuen Akkumulatoren zudem werden, denn sie kommen ohne teures Kobalt aus.

Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien wird durch das Kathodenmaterial bestimmt. Meist werden heute Kobaltoxid und verwandte Schichtverbindungen verwendet.

Wissenschaftler des ZSW haben jetzt erstmals Kathoden aus Lithium-Nickel-Manganoxid entwickelt, das eine bis zu 40 Prozent höhere Energiedichte erreicht.

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REM von Pulverpartikeln des Kathodenmaterials (Foto: ZSW)

Mehr Reichweite dank höherer Energiedichte

Das Material mit der Formel Li1+xMn1.5Ni0.5O4 besitzt mit mehr als 210 Milliamperestunden pro Gramm eine deutlich größere Speicherkapazität als heute verwendete Kathodenmaterialien.

Da die Entladespannung vorwiegend über 4,5 Volt liegt, ist eine bis zu 40 Prozent höhere Energiedichte der gesamten Batterie möglich. Das verlängert die Reichweite von Elektrofahrzeugen beträchtlich.

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Lade-/Entladekurve für Kathodenmaterial Li1.77Mn1.5Ni0.5O4 (Grafik ZSW)

Zudem ist die thermische Stabilität von Lithium-Nickel-Manganoxid besser als bei den bislang verwendeten Kathodenmaterialien, was die Sicherheit der Zelle erhöht.

Auch in puncto Lebensdauer geben sich die Forscher zuversichtlich: Bereits in dieser frühen Entwicklungsphase konnten sie 150 Zyklen ohne Kapazitätsverlust demonstrieren.

Produktion im industriellen Maßstab möglich

Das Manganoxid lässt sich über bekannte Verfahren herstellen. Erste Muster im Kilogrammmaßstab wurden am ZSW bereits produziert.

Das Pulver enthält sphärische Partikel in einer Größenordnung, die in gegenwärtigen kommerziellen Elektrodenbeschichtungsprozessen eingesetzt werden.

Den bisherigen Stand der Technik von Lithium-Ionen-Batterien repräsentieren nickel- und kobalthaltige Schichtoxide. Kobalt ist jedoch ein teurer und begrenzt verfügbarer Rohstoff und auch Nickel ist nicht besonders günstig.

Das neue Material aus dem ZSW könnte künftige Batterien für Elektrofahrzeuge daher nicht nur leistungsstärker sondern auch günstiger machen. Für die Material- und Zellfertigung sucht das ZSW jetzt Entwicklungspartner.

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