LG Energy Solution und die Seoul National University haben gemeinsam eine Technologie entwickelt, die die Gasbildung in lithium-manganreichen (LMR) Batterien unterdrückt und deren Zyklenlebensdauer verbessert.

Das Unternehmen gab am Montag bekannt, dass die Ergebnisse aus einer gemeinsamen Studie mit einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Lim Jong-woo von der Seoul National University hervorgegangen sind. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.

LMR ist ein Kathodenmaterial, das die Materialkosten senkt, indem es relativ günstiges Mangan anstelle von Kobalt verwendet. Zugleich kann es eine hohe Energiedichte erreichen, indem es den im Material enthaltenen Sauerstoff zur Energiespeicherung nutzt. Die Verringerung der Abhängigkeit von Kobalt ist ein übergeordnetes Ziel der Branche, da das Metall kostspielig ist und seine Lieferkette auf wenige Länder konzentriert ist. Daher gelten kobaltfreie oder kobaltarme Kathoden als wichtiger Schwerpunkt für Batteriehersteller, die günstigere Zellen für Elektrofahrzeuge der Massenmärkte anstreben.

Allerdings kann eine unvollständige Sauerstoffrückgewinnung während des Ladens und Entladens die interne Struktur einer Batterie beschädigen und Gasbildung verursachen. Der daraus resultierende Druckaufbau kann die Leistung von Zellen in Elektrofahrzeugen beeinträchtigen. Gasbildung und geringe Zyklenlebensdauer zählten trotz der Kostenvorteile zu den Haupthindernissen für eine breite Kommerzialisierung von LMR-Kathoden.

Die Forscher analysierten das Oxidations-Reduktions-Verhalten von Sauerstoff unter verschiedenen Bedingungen und stellten fest, dass sowohl die obere Ladespannung als auch die untere Entladespannung die Sauerstoffrückgewinnung beeinflussen. Als die obere Ladespannung von 4,6 Volt auf 4,3 Volt gesenkt wurde, stieg die Reduktionsrate des oxidierten Sauerstoffs von 86 Prozent auf 97 Prozent. Zudem kehrte der Sauerstoff bei einer Entladung von 2,0 Volt nahezu in seinen Ausgangszustand zurück.

LG Energy Solution wandte diese Ergebnisse auf eine Zelle der 40Ah-Klasse an – eine Größe, die in kommerziellen Batterieprodukten verwendet wird –, indem das Unternehmen den Betriebsspannungsbereich neu gestaltete und die Temperatur während des Formierungsprozesses, dem anfänglichen Konditionierungsschritt in der Zellfertigung, senkte, um die Gasbildung zu reduzieren. Bemerkenswert ist, dass die Verbesserung durch die Anpassung der Betriebsbedingungen und nicht durch eine Veränderung des Kathodenmaterials selbst erreicht wurde. Die optimierte Zelle behielt nach 883 Lade- und Entladezyklen 92,2 Prozent ihrer Anfangsenergie, was die stabile Zyklenlebensdauer von LMR-Materialien belegt.

„Diese Studie hat die Ursache der Degradation von LMR-Batterien aus der Perspektive der Sauerstoffreversibilität identifiziert und gezeigt, dass die Stabilität der Zelle allein durch das elektrochemische Protokolldesign verbessert werden kann“, sagte Lim.

Ein Vertreter von LG Energy Solution erklärte, die Studie habe gezeigt, dass die Gasbildung unterdrückt werden kann, während eine stabile Zyklenlebensdauer erhalten bleibt. „Die Ergebnisse werden dazu beitragen, die Kommerzialisierung von LMR-Batterien voranzutreiben“, sagte der Vertreter. Das Unternehmen hatte LMR zuvor als eine der von ihm entwickelten Kathodenchemien der nächsten Generation genannt, während es mit chinesischen und japanischen Wettbewerbern um niedrigere Batteriekosten für Elektrofahrzeuge konkurriert.