Neue Methode zur Untersuchung der Elektrode-Elektrolyt-Interphase entwickelt

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.

31. Januar 2024 – 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.