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Ethylencarbonat-freier Elektrolyt verlängert die Lebenszeit von Hochvoltbatterien

Forscherinnen und Forscher vom Helmholtz-Institut Münster und MEET Batterieforschungszentrum stellen unter Ausschluss von Ethylencarbonat eine verlängerte Lebenszeit von Lithium-Ionen-Batterien im Hochspannungsbereich fest.

Cover Advanced Energy MaterialsCopyright: Advanced Energy Materials

Das Lösemittel Ethylencarbonat (EC) galt bisher als fundamentaler Bestandteil des Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien. Die Forschungsergebnisse des Teams um Dr. Johannes Kasnatscheew vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS) und Dr. Tobias Placke vom MEET Batterieforschungszentrum beweisen nun nicht nur, dass der Elektrolyt auch ohne EC anwendbar ist. Die Forscherinnen und Forscher zeigen ebenfalls, dass sich unter Ausschluss von EC bei erhöhter Spannungen und Energiedichte eine längere Lebensdauer der Batteriezelle erzielen lässt.

„Die Ursache liegt in der Fluorphosphat-basierten Spezies, die während der Batterieanwendung generiert wird. Sie sorgt dafür, dass die aus der Kathode gelösten Metalle Kobalt, Nickel und Mangan abgefangen werden, bevor sie der Anode schaden können“, erklärt Kasnatscheew.

Bisher standen die Forscherinnen und Forscher vor der Herausforderung, dass sich die Kathode bei erhöhten Spannungen zersetzt und sich Metalle im Elektrolyten auflösen. Diese wandern zur Anode, setzen sich dort ab und sorgen für eine verkürzte Lebensdauer sowie für Sicherheitsrisiken, da Kurzschlüsse entstehen können. Diese Fehlerkaskade kann durch sich bildende Fluorphosphate unterbunden werden, wie die Kooperationsarbeit zwischen HI MS und MEET nun zeigt. Die Metalle werden abgefangen, bevor sie die Anode überhaupt erreichen können.

Die XPS-Messungen zeigen die Präsenz von Fluorphosphaten in EC-freien Elektrolyten auf, welche Kobalt, Nickel und Mangan binden und im Elektrolyten unwirksam machen.Die XPS-Messungen zeigen die Präsenz von Fluorphosphaten in EC-freien Elektrolyten auf, welche Kobalt, Nickel und Mangan binden und im Elektrolyten unwirksam machen.
Copyright: Advanced Energy Materials

Festgestellt wurde die Verbesserung der Lebensdauer bei erhöhten Ladeschlussspannungen und Energiedichten in einem stark vereinfachten Elektrolytsystem mit den zwei Komponenten Lithium-Salz und linearem Carbonat – ohne den Zusatz von Hilfssubstanzen wie Additiven. Sven Klein vom MEET ist zuversichtlich: „Die Erkenntnisse über die Modifikationsmöglichkeit eröffnen neue Perspektiven für die Formulierung und das Design von Elektrolyten für Batteriezellen. Darüber hinaus ermöglichen sie eine systematische Forschung und Entwicklung im Bereich der Hochvoltanwendungen, beispielweise für die Elektromobilität und stationäre Energiespeicher.“

Indem der Elektrolyt nicht mehr an das zugesetzte EC angepasst werden muss, entstehen neue Freiheiten für die Elektrolytentwicklung. So können beispielweise neue Materialkombinationen für niedrigere Umgebungstemperaturen in Betracht gezogen werden.

Ihre Ergebnisse haben Sven Klein, Stefan van Wickeren, Peer Bärmann, Bastian Heidrich, Dr. Markus Börner, Dr. Tobias Placke (MEET), Dr. Stephan Röser, Dr. Kristina Borzutzki, Dr. Johannes Kasnatscheew (HI MS) sowie Prof. Dr. Martin Winter (HI MS und MEET) als Cover-Artikel in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ veröffentlicht. Der Artikel ist frei verfügbar.