Ethylencarbonat-freier Elektrolyt verlängert die Lebenszeit von Hochvoltbatterien

Jülich/Münster, 27. Mai 2021 – Forschende vom Helmholtz-Institut Münster, einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich, und vom MEET Batterieforschungszentrum Münster haben herausgefunden, dass Lithium-Ionen-Batterien unter Ausschluss von Ethylencarbonat im Hochspannungsbereich eine verlängerte Lebenszeit besitzen. Die Ergebnisse der Studie wurden jetzt als Cover-Artikel in der Fachzeitschrift "Advanced Energy Materials" veröffentlicht.

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.

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.

Originalpublikation:
Sven Klein, Stefan van Wickeren, Stephan Röser, Peer Bärmann, Kristina Borzutzki, Bastian Heidrich, Markus Börner, Martin Winter, Tobias Placke, Johannes Kasnatscheew: Understanding the Outstanding High-Voltage Performance of NCM523||Graphite Lithium Ion Cells after Elimination of Ethylene Carbonate Solvent from Conventional Electrolyte. Adv. Energy Mater. 2021, 202003738. DOI:10.1002/aenm.202003738

Helmholtz-Institut Münster: Ionenleitung in der Energiespeicherung (IEK-12)

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