Vergleich alternativer Lithiumsalze für Hochspannungs-Lithium-Ionen-Batterien
Morphologie der Lithiumabscheidung als relevanter Faktor identifiziert
17. Dezember 2024 – Eine der Hauptursachen für den Kapazitätsabfall von Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien (LIB) ist der ‚Elektroden-Crosstalk‘. Dabei lösen sich Übergangsmetalle aus der Kathode und lagern sich auf der Anode ab. Als Hauptbestandteile des Elektrolyten können Lithiumsalze diesen Prozess beeinflussen und so zum Kapazitätserhalt der Batteriezellen beitragen. In einer aktuellen Studie hat ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich den Einfluss verschiedener Lithiumsalze auf das Degradationsverhalten von Hochenergie-LIB untersucht.
Verhalten von Lithiumsalzen auf den ersten Blick widersprüchlich
Die Forschenden verglichen sechs verschiedene Lithiumsalze miteinander, darunter das gängige Lithiumhexafluorophosphat, Lithiumtetrafluorborat und Lithiumdifluor(oxalat)borat. Dabei fanden sie heraus, dass die beiden letzteren Salze die Kapazität der Zellen besser erhalten als Lithiumhexafluorophosphat. Gleichzeitig zersetzen sich diese Salze aber stärker und führen somit zu einem erhöhten ‚Elektroden-Crosstalk‘. „Dieses auf den ersten Blick widersprüchliche Verhalten lässt sich durch die Unterschiede in der Morphologie und damit der Oberfläche des abgeschiedenen Lithiums erklären, beeinflusst durch die verschiedenen Salze im Elektrolyten“, sagt Anindityo Arifiadi, Doktorand am MEET Batterieforschungszentrum und der Internationalen Forschungsschule BACCARA (Batterie-Chemie, Charakterisierung, Analyse, Recycling und Anwendung). Während der mit Lithiumhexafluorophosphat versetzte Elektrolyt zu einer Lithiumabscheidung mit dendritischer Morphologie – und damit einer großen Oberfläche und mehr parasitäre Reaktionen – in der Anode führt, ist die Struktur unter Einsatz von Lithiumtetrafluorborat oder Lithiumdifluor(oxalat)borat kompakter. Dadurch werden parasitäre Nebenreaktionen von Lithium und Lithiumverluste verringert, was wiederum die Kapazität besser erhält. „Die Morphologie der Lithiumabscheidung spielt in Bezug auf den Kapazitätserhalt in Hochspannungs-LIB somit eine entscheidendere Rolle als die Intensität des ‚Elektroden-Crosstalk‘“, ordnet Arifiadi die Ergebnisse ein.
Der praktische Einsatz von Lithiumtetrafluorborat und Lithiumdifluor(oxalat)borat ist jedoch weiterhin herausfordernd, da sich während des Zyklierens große Mengen an Gas bilden können. Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des Forschungsbereichs Materialien am MEET Batterieforschungszentrum, erklärt: „Die Auswirkung von Lithiumsalzen muss deshalb weiter erforscht werden. Nur wenn wir diese genau verstehen, können wir passgenaue Elektrolyte für Hochspannungs-LIB entwickeln. Die Erkenntnisse aus dieser Studie dienen dafür als Leitfaden.“
Gesamte Studie online verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse haben die Forschenden Anindityo Arifiadi, Tobias Brake, Christian Lechtenfeld, Julius Buchmann, Feleke Demelash, Dr. Simon Wiemers-Meyer und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum, Lennart Wichmann, Peng Yan, Dr. Gunther Brunklaus und Dr. Isidora Cekic-Laskovic, Helmholtz-Institut Münster, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin „Small” veröffentlicht.