Neue Methode zur Untersuchung der Elektrode-Elektrolyt-Interphase entwickelt
31. Januar 2024
Die Elektrode-Elektrolyt-Interphase kann nun unter Realbedingungen in einer Lithium-Ionen-Batteriezelle mittels Infrarot-Spektroskopie untersucht werden. Das neue Verfahren wird durch eine optimierte Messzelle aus dem 3D-Drucker ermöglicht.
Forscher:innen vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich und vom MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster haben eine neue Methode zur Untersuchung der Elektrode-Elektrolyt-Interphase in Lithium-Ionen-Batterien (LIB) entwickelt. Sie ermöglicht die Erforschung der Elektrode-Elektrolyt-Interphase (SEI) mit und ohne Elektrolytadditive auf Siliziumelektroden unter Realbedingungen.
Einsatz von Additiven verbessert Leistung
Die neue Methode zeigt, dass durch den Einsatz des Elektrolytadditivs 2-Sulfobenzoesäureanhydrid (2-SBA) in Hochspannungs-Pouchzellen eine Verlängerung der Zyklenzahl von über 150 Prozent sowie ein Energiegewinn von über 120 Prozent im Vergleich zu Standardelektrolyten erreicht werden kann. Der Einsatz des Additivs ermöglicht die Bildung einer effektiven Interphase auf der Anodenoberfläche. Außerdem werden unerwünschte Prozesse, beispielsweise Elektrolytzersetzung und Lithiumabscheidung, unterdrückt.
„Wir haben für unsere Untersuchung eine optimierte Messzelle entwickelt und mittels 3D-Druck realisiert. Die Charakterisierung der SEI haben wir durch operando abgeschwächte Totalreflexion-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR) unter Realbedingungen in einer LIB erreicht,“ erklärt Matthias Weiling von der Nachwuchsforschergruppe Spektroelektrochemie an Grenzflächen des Helmholtz-Instituts Münster.
Mit der entwickelten Methode konnten außerdem bei unterschiedlichen Zellspannungen verschiedene Zersetzungsprodukte von 2-SBA in der SEI auf Silizium nachgewiesen werden.
Ganzheitlicher Blick durch Kooperation
Zusätzliche Messungen und damit ein ganzheitlicher Blick auf die Prozesse an der SEI wurde durch institutsübergreifende Kooperation ermöglicht. Christian Lechtenfeld, Lars Frankenstein und Dr. Sascha Nowak vom MEET Batterieforschungszentrum leisteten einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Reaktionsmechanismen sowie zur Visualisierung der Interphasen. Es kamen unter anderem IC-CD-MS-, SEM- und EDX-Messungen zum Einsatz.
Studie in Advanced Energy Materials verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forscher:innen Matthias Weiling, Felix Pfeiffer, Dr. Diddo Diddens, Jian-Fen Wang und Dr. Masoud Baghernejad vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich gemeinsam mit Christian Lechtenfeld, Lars Frankenstein und Dr. Sascha Nowak vom MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster als Open-Access-Artikel im Fachmagazin Advanced Energy Materials veröffentlicht.
Originalpublikation
Matthias Weiling, Christian Lechtenfeld, Felix Pfeiffer, Lars Frankenstein, Diddo Diddens, Jian-Fen Wang, Sascha Nowak, Masoud Baghernejad
Mechanistic Understanding of Additive Reductive Degradation and SEI Formation in High-Voltage NMC811||SiOx-Containing Cells via Operando ATR-FTIR Spectroscopy
Advanced Energy Materials (2023), DOI: 10.1002/aenm.202303568