Dieses neue Projekt ist Teil einer Großinvestition der Faraday Institution – dem unabhängigen britischen Institut für elektrochemische Energiespeicherforschung. Das 3D-CAT-Projekt wird Forscher der Universität Oxford und des UCL sowie Industriepartner zusammenbringen, um eine zentrale Herausforderung der Branche direkt anzugehen. Konkret geht es darum, brauchbare Kathodenmaterialien für Lithiumbatterien zu entwickeln, die ohne Kobalt und Nickel auskommen – beides teure Materialien, die mit Umwelt- und Lieferkettenproblemen verbunden sind.
Zu den vielversprechenden Kandidaten zählen Lithium-Eisenphosphat- und Lithium-Mangan-Eisenphosphat-Kathoden, die jedoch eine geringere Energiedichte aufweisen als Kathoden mit Kobalt und Nickel. Es besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung neuer Kathodenmaterialien, die die Leistung von Kobalt- und Nickel-basierten Kathoden erreichen, ohne dass kostspielige, geografisch konzentrierte Vorläuferstoffe oder unpraktische Produktionsprozesse erforderlich sind. Das 3D-CAT-Projekt wird sich dieser Herausforderung stellen, indem es vom First-Principles-Design bis zur Prototyp-Synthese und Validierung in Testsystemen voranschreitet.
Lithiumreiche Steinsalzstrukturen als Basis für neue Kathodenmaterialien
Ein besonders vielversprechender Ansatz sind lithiumreiche ungeordnete Steinsalze, bei denen Lithium- und Übergangsmetallatome in einer ungeordneten Steinsalz-Kristallstruktur angeordnet sind. Diese Materialien können hohe Energiedichten erreichen, leiden jedoch bislang unter einer schlechten Leistungsfähigkeit (wie schnell eine Batterie geladen und entladen werden kann) und anderen Nachteilen. Außerdem werden sie in der Regel durch Kugelmahlen hergestellt, ein Verfahren, das viel Energie verbraucht und nicht ohne Weiteres skalierbar ist.
Jüngste Arbeiten unter der Leitung des CATMAT-Projekts der Faraday-Institution und anderen haben gezeigt, dass die Einführung einer teilweisen Anordnung von Lithium- und Übergangsmetallatomen in diesen Materialien den Lithium-Ionen-Transport drastisch verbessern kann. Diese Erkenntnis ebnet den Weg für eine neue Klasse von lithiumreichen dreidimensionalen Kathodenmaterialien (3DC), die hohe Leistung mit skalierbarer, energieeffizienter Herstellung verbinden.
Nachhaltige Synthesewege
In den nächsten drei Jahren wird 3D-CAT daran arbeiten, ein umfassendes Verständnis dafür zu entwickeln, wie die lokale Anordnung in Li-reichen 3DC-Kathoden optimiert werden kann, um den Lithium-Ionen-Transport und die Leistungsfähigkeit zu maximieren, einschließlich der Auswirkungen unterschiedlicher Partikelgrößen und Morphologien. Unter Nutzung der erstklassigen Forschungseinrichtungen von Oxford im Centre for Energy Materials Research (CEMR) und im Materials Modelling Laboratory (MML) wird das Team aufeinanderfolgende Generationen von Prototyp-Kathodenmaterialien entwickeln und deren Leistung in Testsystemen validieren.
Daneben wird das Team nachhaltige, kostengünstige und energieeffiziente Synthesewege für diese neuen Materialien entwickeln und untersuchen, wie leitfähige Beschichtungen die Leistungsfähigkeit und Langzeitleistung verbessern können. Professor Robert House (Fachbereich Werkstoffkunde), Hauptforscher für 3D-CAT, sagte: „3D-CAT ist eine spannende Gelegenheit, innovative neue Li-Ionen-Kathodenmaterialien zu entwickeln, um die britische Batterieindustrie zu unterstützen. Ich freue mich sehr über die Unterstützung der Faraday Institution und unserer erfahrenen Industriepartner bei der Verwirklichung unserer Vision.“
Partner
An 3D-CAT sind verschiedene Industriepartner beteiligt, die in einzigartiger Weise in der Lage sind, die verschiedenen Phasen der Materialentwicklung und -vermarktung zu unterstützen und so sicherzustellen, dass das Projekt den Anforderungen der Industrie entspricht. Zu den Partnern gehört das Centre for Process Innovation (CPI), wo Experten der AMBIC-Materialbatterie-Scale-up-Anlage das Team bei der Entwicklung eines für die Großproduktion geeigneten Synthesewegs unterstützen werden.
Neben 3D-CAT und CATMAT leitet die Universität Oxford auch vier weitere Vorzeigeprojekte der Faraday Institution im Bereich der Batterieforschung: Nextrode (unter der Leitung von Professor Patrick Grant, Fachbereich Materialwissenschaften), SafeBATT (unter der Leitung von Professor Paul Shearing, Fachbereich Ingenieurwissenschaften), SOLBAT (unter der Leitung von Professor Mauro Pasta, Fachbereich Materialwissenschaften) und LiSTAR (unter der Leitung von Professor Paul Shearing, Fachbereich Ingenieurwissenschaften). Oxford ist außerdem Partner in verschiedenen anderen Faraday-Projekten.
Professor Jim Naismith, Leiter der Abteilung für Mathematik, Physik und Biowissenschaften, sagte: „Oxford ist stolz darauf, bei der Entwicklung der nächsten Generation von Batteriematerialien eine Vorreiterrolle einzunehmen. Dieses Projekt bringt brillante Köpfe, Spitzenforschung und starke Partnerschaften mit der Industrie zusammen, um eine der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen: die kostengünstige und effiziente Speicherung von Energie. Es ist ein großartiges Beispiel dafür, wie die Weltklasseforschung in unserer Abteilung echte Vorteile für alle und für die britische Wirtschaft bringt.“
