Zusammenhang zwischen Oberflächenstruktur und „totem“ Lithium nachgewiesen

Quantitativer Zusammenhang zwischen der Oberflächenstruktur von Kupferelektroden und der Abscheidung des Aktivmaterials Lithium in Zero-Excess-Lithium-Metall-Batterien

24. Mai 2023 – Forscher:innen des Helmholtz-Instituts Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich und vom MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster zeigen erstmal einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Oberflächenstruktur von Kupferelektroden und der Abscheidung des Aktivmaterials Lithium.

Zero-Excess-Batterien intensiv erforscht

Da sogenannte Zero-Excess („Null-Überschuss“) Lithium-Metall-Batterien eine mit 3861 mA h g⁻¹ besonders hohe theoretische spezifische Kapazität aufweisen, erfahren sie in der Forschung eine hohe Aufmerksamkeit. „Nun konnte gezeigt werden, dass dreidimensionale Stromkollektoren mit großer Oberfläche dazu beitragen, die Abscheidung von ‚totem‘ Lithium, das für die Funktion der Batterie unbrauchbar wird, in der Batteriezelle zu reduzieren und so ihre Lebensdauer zu verbessern und Sicherheitsrisiken zu minimieren,“ erklärt Dr. Kerstin Neuhaus vom Helmholtz-Institut Münster.

‚Zero excess‘ bedeutet, dass eine mit Lithiumionen vollgeladene positive Elektrode verwendet wird, beim Zusammensetzen der Batterie jedoch kein Aktivmaterial an der negativen Elektrode vorhanden ist. Diese besteht zum Beispiel aus Kupfer. Erst durch das erstmalige Laden der Batterie wird Lithiummetall auf dem Kupfer abgeschieden, das anschließend beim Entladen wieder oxidiert wird und in die Kathode wandert.

Oberflächenstruktur entscheidend

Die Morphologie der Abscheidungen und die Bildung der Lithiumpartikel, die sich nach einigen Lade- und Entladezyklen von der negativen Elektrode lösen und aufgrund des fehlenden elektrischen Kontakts nicht mehr zur Verfügung stehen, wird entscheidend durch die Oberflächenstruktur und -chemie des Kupfers bestimmt.

„Die größere Oberfläche der eingesetzten Kupferelektroden minimiert die Bildung von totem Lithium, da die lokale Stromdichte durch die große Oberfläche reduziert wird und die Lithium-(wieder-) Abscheidung homogener wird, was wiederum die Bildung von totem Lithium unterdrückt,“ erklärt Dr. Simon Wiemers-Meyer vom MEET Batterieforschungszentrum.

Kooperationsprojekt

Simon Wiemers-Meyer und Tobias Brake, ebenfalls vom MEET Batterieforschungszentrum, haben für die Untersuchung der negativen Elektrode Zellen mit Kupferfolien hergestellt. Dabei wurden mittels Laserablation mikrostrukturierte Kupferfolien mit unbehandelten Folien verglichen und das entstandene tote Lithium durch Gaschromatographie quantifiziert. Das Team rund um Kerstin Neuhaus vom Helmholtz-Institut Münster wiederum trug mit einer Charakterisierung der Oberflächentopographie der Kupferfolien mittels AFM und einer Ermittlung der Rauigkeitsparameter zur Studie bei.

Studie in Journal of Materials Chemistry A verfügbar

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forscher:innen Christina Schmidt und Dr. Kerstin Neuhaus, Helmholtz-Institut Münster, Egy Adhitama, Jan Pleie, Internationale Forschungsschule BACCARA, Tobias Brake, Feleke Demelash, Dr. Simon Wiemers-Meyer, Dr. Tobias Placke, MEET Batterieforschungszentrum, Prof. Dr. Martin Winter, Helmholtz-Institut Münster und MEET Batterieforschungszentrum, gemeinsam mit Autor:innen weiterer Institute als Open-Access-Artikel im Fachmagazin Journal of Materials Chemistry A veröffentlicht.