Dr Jennifer Ludwig vid tekniska universitetet i München (TUM) har utvecklat en process, som tillåter en snabb, enkel, och kostnadseffektiv produktion av nanokristallina litiumkoboltfosfatkristaller. Jämfört med standard litiumjärnfosfat förbättrar detta material energitätheten för litiumjonbatterier från cirka 600 till 800 watt timmar per kilogram. Upphovsman:Andreas Battenberg / TUM
Ström på språng är efterfrågat:Ju högre batterikapacitet, desto större utbud av elbilar och desto längre drifttid för mobiltelefoner och bärbara datorer. Dr Jennifer Ludwig vid Techniska universitetet i München (TUM) har utvecklat en process som möjliggör en snabb, enkel, och kostnadseffektiv produktion av det lovande katodmaterialet litiumkoboltfosfat i hög kvalitet. Kemisten tilldelades Evonik Research Prize för sitt arbete.
Hoppet är rosa:Pulvret som Jennifer Ludwig försiktigt häller i en glasskål och som lyser rosa i laboratorielampans ljus har potential att avsevärt förbättra prestanda för framtida batterier. "Litiumkoboltfosfat kan lagra betydligt mer energi än konventionella katodmaterial, "förklarar kemisten.
Arbetar i gruppen Tom Nilges, chef för professuren för syntes och karaktärisering av innovativa material, kemisten har utvecklat en process för att snabbt producera det rosa pulvret, med minimala mängder energi och i högsta kvalitet.
Batteriforskare har övervägt litiumkoboltfosfat som framtidens material under en tid. Den fungerar vid högre spänningar än det traditionellt använda litiumjärnfosfatet och därmed, uppnår en högre energitäthet - 800 watt timmar per kilo istället för knappt 600 watt timmar.
Tidigare process:dyr och energikrävande
Tidigare, dock, produktionen av det lovande högspänningskatodmaterialet krävde ett mycket komplext, energikrävande och ineffektiv process under hårda förhållanden med temperaturer på 800 ° C. "Och kristallerna som bildas under dessa förhållanden varierar i storlek och måste males till nanokristallint pulver på en sekund, energikrävande produktionssteg, "rapporterar Ludwig.
Dr Jennifer Ludwig vid tekniska universitetet i München (TUM) med prover från optimeringsexperimenten. Slutligen ledde dessa experiment till ett katodmaterial med hög spänning, som, jämfört med standard litiumjärnfosfat, förbättrar energitätheten för litiumjonbatterier från cirka 600 till 800 watt timmar per kilo. Upphovsman:Andreas Battenberg / TUM
Vidare, de resulterande kristallerna uppvisar tillräcklig jonledningsförmåga i endast en riktning. På större delen av ytan, den kemiska reaktionen mellan elektrodmaterialet och elektrolyten i batterierna fortskrider mycket långsamt.
Skräddarsydda kristaller
Mikrovågssyntesprocessen som utvecklats av Jennifer Ludwig löser alla dessa problem på en gång:Att få högkvalitativt litiumkoboltfosfat kräver bara en mikrovågsugn och 30 minuters tid.
Reaktanterna placeras i en teflonbehållare tillsammans med ett lösningsmedel och upphettas sedan. Bara 600 W är tillräckligt för att uppnå de 250 ° C som krävs för att stimulera kristallbildningen.
De platta trombocyterna som skapades i processen mäter mindre än en mikrometer och är bara några hundra nanometer tjocka, med axeln för maximal konduktivitet riktad mot ytan. "Denna form säkerställer bättre elektrokemisk prestanda eftersom litiumjonerna behöver flytta endast korta sträckor inom kristallerna, "förklarar Ludwig.
Elektronmikroskopbild av de trombocytformade litiumkoboltfosfatkristallerna. Eftersom kristallerna bara är några hundra nanometer tjocka och axeln för maximal konduktivitet är orienterad mot ytan, litiumjonerna behöver bara flytta korta sträckor inom kristallen. Upphovsman:Katia Rodewald / TUM
Styr reaktionen
Kemisten kunde också lösa ett annat problem under sina experiment:Vid temperaturer över 200 ° C och under högt tryck, istället för det önskade litiumkoboltfosfatet som hittills är okänt, komplex kobolthydroxidvätefosfatförening bildas ibland.
Jennifer Ludwig lyckades belysa reaktionsmekanismen, isolera föreningen och bestämma dess struktur och egenskaper. Eftersom den nya föreningen är olämplig som batterimaterial, hon modifierade reaktionen så att endast önskat litiumkoboltfosfat produceras.
"Med denna nya produktionsprocess, vi kan nu skapa högpresterande, trombocytformade litiumkoboltfosfatkristaller med skräddarsydda egenskaper i hög kvalitet, "säger professor Nilges." Således, ett ytterligare hinder på vägen mot nya högspänningsmaterial har tagits. "
