Lange Zeit ging man davon aus, dass Einkristallkathoden die Probleme mit der Batterielebensdauer l\u00f6sen w\u00fcrden, da ihnen die inneren Verbindungsstellen (Korngrenzen) fehlen, an denen typischerweise Risse entstehen. Eine neue Studie, ver\u00f6ffentlicht in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology, zeigt jedoch, dass einige Einkristalle bereits nach etwa 100 Lade-Entlade-Zyklen Risse von innen heraus aufweisen k\u00f6nnen.
Warum reicht Nickel nicht aus? Die meisten Hersteller von Elektrofahrzeugen setzen auf Kathoden mit hohem Nickelgehalt, da dies eine h\u00f6here Energiedichte und gr\u00f6\u00dfere Reichweite erm\u00f6glicht. Das Problem tritt bei hohen Spannungen auf, wenn die Lithiumentfernung die Sauerstoffbindungen in der Struktur schw\u00e4cht. Entstehen Risse, dringt der fl\u00fcssige Elektrolyt ein und l\u00f6st unerw\u00fcnschte chemische Reaktionen aus. Diese Reaktionen reduzieren nicht nur die Kapazit\u00e4t, sondern erh\u00f6hen auch die W\u00e4rmeentwicklung und damit die Brandgefahr.
Das Forschungsteam um Dr. Jing Wang fand sogar heraus, dass das Problem nicht die Kristallfugen sind, sondern die ungleichm\u00e4\u00dfige Bewegung der Lithiumionen. Innerhalb eines einzelnen Kristallpartikels absorbieren manche Bereiche Lithium schneller als andere. Dies f\u00fchrt zu Unregelm\u00e4\u00dfigkeiten im Kristallgitter.
\u2013 Die Oberfl\u00e4che des Partikels ver\u00e4ndert sich schnell, w\u00e4hrend der Kern hinterherhinkt.
\u2013 Wenn die Ausdehnung oder Kontraktion die Elastizit\u00e4tsgrenze des Materials \u00fcberschreitet, rei\u00dft der Kristall.
\u2013 Durch das Schnellladen werden diese Risiken erh\u00f6ht, da die Lithium-Ionen gezwungen werden, sich noch schneller und ungleichm\u00e4\u00dfiger zu bewegen.
Obwohl die Industrie versucht, den Einsatz des teuren Kobalts zu reduzieren, haben Tests gezeigt, dass eine geringe Menge dieses Elements in Einkristallen tats\u00e4chlich hilfreich ist. Kobalt verbessert den Lithiumfluss und verringert die Bildung von Hochspannungszonen. Mangan hingegen verlangsamte in diesen Proben die Reaktionen und erh\u00f6hte die Rissbildung, obwohl es eine kosteng\u00fcnstigere und ethisch weniger problematische Alternative darstellt.
Wissenschaftler weisen nun darauf hin, dass die Zukunft von Batterien m\u00f6glicherweise nicht in der Maximierung der Energie liegt, sondern in der Gew\u00e4hrleistung gleichm\u00e4\u00dfiger Reaktionen im gesamten Material. Der n\u00e4chste Schritt besteht darin, diese Erkenntnisse von Laborpartikeln auf vollst\u00e4ndige Batteriezellen zu \u00fcbertragen, die den realen Fahrbedingungen standhalten m\u00fcssen. Ziel ist es, zug\u00e4ngliche Elemente zu finden, die Nickel stabilisieren, ohne neue Formen interner Sch\u00e4den zu verursachen.<\/p>\n