Kalzination von Kathodenaktivmaterial (CAM) für Lithium-Ionen-Batterien

Die positive Elektrode in der Batterie wird oft als "Kathode" bezeichnet. In den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien wird Lithium-Kobalt-Oxid als Kathode verwendet. In den letzten Jahren sind jedoch viele alternative Materialsysteme entwickelt und eingesetzt worden.

In den meisten Fällen sind jedoch Lithium und Sauerstoff immer noch ein wesentlicher Bestandteil des Systems. Lediglich das metallische Element Kobalt wird oft ganz oder nur teilweise durch andere metallische Elemente wie Nickel und Mangan ersetzt. Aus diesem Grund kann man bei den meisten Lithium-Ionen-Batterien von einer so genannten Lithium-Metalloxid-Kathode sprechen.

Lithium-Metalloxide werden als feste Pulver hergestellt. Bei der Auswahl des Pulvers als geeignetes Material für den Einsatz als Kathode in einer Lithium-Ionen-Batterie (LiB) spielen die Mikrostruktur, die Morphologie, die Partikelgröße und der Grad und die Art der möglichen Verunreinigungen im Pulver eine entscheidende Rolle. Diese beeinflussen die elektrochemischen Eigenschaften der Batterie, die anschließend daraus hergestellt wird. Insbesondere die Energiedichte, die z. B. für die Reichweite von Elektrofahrzeugen von großer Bedeutung ist, wird durch die oben genannten Gefügeparameter beeinflusst.

Die Mikrostruktur der Kathode muss daher genau eingestellt werden. Dies kann zum einen durch die richtige Auswahl der Rohstoffe und zum anderen durch einen kontrollierten Herstellungsprozess von Kathodenpulvern erreicht werden. Wie der Begriff schon sagt, handelt es sich bei einem Lithiummetalloxid um einen Mischkristall aus Lithiumoxid und Oxiden anderer Metalle. Diese Mischkristalle entstehen durch thermische Behandlung einer Mischung der einzelnen Oxide bei hohen Temperaturen; typischerweise zwischen 800-1000 °C unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen. Die einzelnen Oxide wiederum werden durch die Zugabe von verschiedenen Rohstoffen zu dem Gemisch bereitgestellt. Die Ausgangsstoffe sind häufig Hydroxide oder Carbonate von Lithium und den jeweils anderen metallischen Elementen.

Durch Wärmebehandlung dieser Ausgangsstoffe wird bei Temperaturen von 600-800 °C Wasser (H2O) oder Kohlendioxid (CO2) freigesetzt; die restlichen Oxide beteiligen sich später durch weitere Behandlungen an einem Mischkristall.

Grundsätzlich werden bei der Herstellung der Kathode in einem ersten Schritt verschiedene Oxide aus den jeweiligen Hydroxiden oder Carbonaten der gleichen Elemente gewonnen und dann in einem zweiten Schritt der gewünschte Mischkristall aus diesen Oxiden hergestellt.

Der erste Schritt, bei dem zwei Feststoffe miteinander zu einem dritten Feststoff reagieren und Gase freigesetzt werden, wird als Kalzinierung bezeichnet. Der zweite Schritt wird als Sintern oder Feststoffdiffusion bezeichnet. Die Kalzinierung erfolgt nahezu zeitunabhängig, sobald die für den Beginn der Reaktion erforderlichen Temperaturen und Ausgangsstoffe vorhanden sind. Folglich laufen die ersten Schritte der thermischen Behandlung bei der Herstellung der Kathode relativ schnell ab. Die Diffusionsprozesse zur Bildung der Mischkristalle sind dagegen sehr zeitabhängig und dauern deutlich länger. Bei einigen Herstellern werden die beiden Schritte nacheinander in einem Prozess durchgeführt, bei anderen hingegen werden die Kalzinationsprodukte zunächst gekühlt und später in einem separaten thermischen Prozess gesintert.

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