Additiv vervierfacht Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterie
Elektrolytadditiv 3-Thiophen-Borsäure vervierfacht Lebensdauer und verringert Kapazitätsverlust von Lithium-Ionen-Batterie
09. August 2023 – In einem Kooperationsprojekt konnten Forscher:innen des Helmholtz-Instituts Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich und des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster durch operando SHINERS Messungen eine Additiv-basierte Interphase auf Nickel-reichen Kathoden in Lithium-Ionen-Batterien (LIB) charakterisieren und wichtige Einblicke in die Entstehungsmechanismen der Interphase erhalten. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Lebensdauer von LIB durch die Zugabe des filmbildenden Elektrolytadditivs 3-Thiophen-Borsäure vervierfacht und der Kapazitätsverlust verringert werden kann.
Einsatz von Elektrolytadditiven und fortschrittlichen Messmethoden
Die Kathoden-Elektrolyt-Interphase (CEI) rückt immer stärker in den Fokus der Batterieforschung. In LIB gängige Elektrolyte und Kathodenmaterialien weisen eine verstärkte Zersetzung bei hohen Zellspannungen auf, was ihre Lebenszeit und Leistung verringert. Durch den Einsatz geeigneter Elektrolytadditive wird eine stabile und effektive Interphase auf der Kathodenoberfläche gebildet und unerwünschte Prozesse werden unterdrückt.
Die Entstehung von Additiv-basierten Interphasen unter realen Arbeitsbedingungen in LIB konnte für die Studie mittels operando SHINERS Messungen untersucht und charakterisiert werden. Diese fortschrittliche Raman-Variante liefert eine Vielzahl an Informationen über die Interphase und deren Entstehungsmechanismen. Nur durch die (Weiter-)Entwicklung von Messmethoden, die die Untersuchung von LIB unter realen Arbeitsbedingungen ermöglichen können neue Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen in LIB gewonnen werden.
Potential passivierender Interphasen
Die Wissenschaftler:innen verschiedener Forschungsschwerpunkte haben eine auf dem Additiv 3-Thiophen-Borsäure basierende Interphase auf der Oberfläche von Nickel-reichen Kathoden untersucht, um die verschiedenen Bestandteile der Interphase zu identifizieren und ihre Bildungs- und Wirkmechanismen besser zu verstehen. Zusätzlich wurde der Einfluss des verwendeten Additivs auf die Leistung und Lebensdauer von Hoch-Volt-LIB beleuchtet.
Es konnte gezeigt werden, dass durch die Zugabe einer optimierten Konzentration des Additivs die Lebensdauer der untersuchten LIB vervierfacht und der Kapazitätsverlust, im Vergleich zum Referenzsystem, stark verringert wird. Darüber hinaus wies das Additiv in der Untersuchung eine verbesserte Leistung im Vergleich zu Standard-Additiven auf.
Additiv-basiertes Polymer schützt Elektrolyt und Kathode vor Zersetzungsprozessen
„Die SHINERS Messungen zeigen, dass das Additiv auf der Kathodenoberfläche polymerisiert und eine effektive Interphase bildet. Sie schützt sowohl den Elektrolyten als auch die Kathodenoberfläche vor Prozessen, die zu einem frühzeitigen und rapiden Kapazitätsverlust der LIB führen können,“ erklärt Felix Pfeiffer von der Nachwuchsforschungsgruppe „Spektroelektrochemie an Grenzflächen“ des Helmholtz-Instituts Münster.
Zusätzlich konnte die Entstehung eines Copolymers nachgewiesen werden. Es besteht aus Additiv- und Elektrolytlösungsmittel-Molekülen. Im Vergleich zum rein Additiv-basierten Polymer entsteht dieses allerdings nur zu einem geringen Anteil und nur bei hohen Zellspannungen.
Kooperation zwischen Helmholtz-Institut Münster und MEET Batterieforschungszentrum
Die Studie wurde durch quantenmechanische Berechnungen von Dr. Diddo Diddens, Helmholtz-Institut Münster, begleitet. Die Gruppe „Grenzflächen und Interphasen“ unter der Leitung von Dr. Isidora Cekic-Laskovic, ebenfalls Helmholtz-Institut Münster, unterstützte die Datenauswertung. Lars Frankenstein vom MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster untersuchte Kathoden mithilfe von SEM- und EDX-Messungen.
Studie in Advanced Energy Materials veröffentlicht
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forscher:innen Felix Pfeiffer, Dr. Diddo Diddens, Matthias Weiling, Sebastian Kühn, Dr. Isidora Cekic-Laskovic, Masoud Baghernejad, Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich, und Lars Frankenstein, MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster, als Open-Access-Artikel im Fachmagazin Advanced Energy Materials veröffentlicht.