Neuartige Elektrolytadditive verbessern Leistung und Lebensdauer der Silizium-basierten Anode

Mit einer neuen Klasse an Elektrolytadditiven hat ein Team des MEET Batterieforschungszentrums, des Instituts für Organische Chemie und der Internationalen Forschungsschule BACCARA ein Lösungskonzept für Silizium-basierte Anoden in Lithium-Ionen-Batterien (LIB) entwickelt. Dieses garantiert eine hohe Energiedichte, schützt effektiv die Anode und wirkt gleichzeitig der Degradation der Elektrode entgegen. Damit adressiert das Forschungsteam zwei der größten Herausforderungen, die zurzeit noch den Durchbruch der Technologie verhindern.

Innovative Elektrolytadditive schützen die Elektrode

Die Silizium-basierte Anode zählt zu den aussichtsreichsten Ansätzen in der Forschung an neuen Materialkonzepten für die Lithium-Ionen-Batterie, denn das Legierungsmaterial verspricht eine signifikante Energiesteigerung gegenüber dem aktuell gängig eingesetzten Graphit, indem es bis zu zehn Mal mehr Lithium-Ionen speichert. Den Durchbruch der Silizium-Anode verhindert derzeit, dass sich das Silizium während der Be- und Entladung der Batterie um das bis zu dreifache Volumen auf bis zu 300 Prozent ausdehnt. Die Folge ist die Degradation der Elektrode verbunden mit einer geringen Lebensdauer der Batterie.

„Der verstärkte Einsatz von Silizium als Anodenmaterial wird derzeit in zahlreichen Forschungsprojekten, aber auch von Seiten der Industrie intensiv erforscht – insbesondere deshalb, da die Anforderungen an Batterien stetig steigen“, betont Dr. Tobias Placke, Leiter des Bereichs Materialien am MEET Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster. In den aktuell kommerziell verfügbaren LIBs mit Silizium-basierter Anode liegt der Anteil des Legierungsmaterials noch bei unter zehn Prozent, da die Batterien sonst den Anforderungen an die Lebensdauer nicht gerecht werden würden.

Um den Anteil an Silizium in der Anode nun erhöhen zu können, hat das Wissenschaftsteam eine neue Klasse an Elektrolytadditiven entwickelt. Basierend auf N-Carboxyanhydriden sorgt das maßgeschneiderte Design dafür, dass sich eine effektive „Solid Electrolyte Interphase“ (SEI) bildet. Diese Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt wirkt der Degradation der Elektrode entgegen, sodass die Anzahl möglicher Be- und Entladezyklen der Batterie deutlich steigt.

Analyseverfahren ermöglichen tiefe Einblicke in die Reaktionen in der Batterie

Am Beispiel von NCM523 II SiO_x/Graphit Lithium-Ionen-Zellen haben die Forschenden gleichzeitig eine erhöhte Energie der Zellen aufgrund der Silizium-basierten Anode sowie eine verbesserte Lebensdauer aufgrund der neuartigen Additive festgestellt. Linda Quach, Doktorandin an der Internationalen Forschungsschule für Batterie-Chemie, Charakterisierung, Analyse, Recycling und Anwendung (BACCARA), sagt: „In dieser Kooperation haben wir wirkungsvolle Elektrolytadditive entwickelt, diese in anwendungsnahen Zellen und durch komplementäre post mortem Analytik intensiv evaluiert, wodurch sowohl die Degradation der Elektrode als auch die Ausbildung der SEI sowie die Gasbildung untersucht werden konnten.“

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Wissenschaftler*innen Jan-Patrick Schmiegel, Dr. Roman Nölle, Dr. Jonas Henschel, Dr. Sascha Nowak, Prof. Dr. Martin Winter und Dr. Tobias Placke vom MEET Batterieforschungszentrum sowie Prof. Dr. Frank Glorius und Linda Quach, Internationale Forschungsschule BACCARA und Institut für Organische Chemie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, als Open-Access-Artikel in dem Fachmagazin „Cell Reports Physical Science“ veröffentlicht.