Tiefergehendes Verständnis der Elektrolyt- zersetzung und der Solid Electrolyte Interphase

Trotz ihrer zentralen Bedeutung für die Performanz, Lebensdauer und Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterie ist die Solid Electrolyte Interphase (SEI) bisher nur unzureichend analysiert. Denn die Schicht, die sich zwischen dem flüssigen Elektrolyten und der festen Elektrode während des ersten Ladens und Entladens der Batterie bildet, ist extrem dünn und gegenüber einer Vielzahl gängiger Analysemethoden zu instabil. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrum um den Wissenschaftler Christoph Peschel hat deshalb einen indirekten Ansatz gewählt und den Elektrolyten und seine Zersetzungsprodukte in den Fokus gerückt. Denn beide beeinflussen maßgeblich die Eigenschaften der SEI und ermöglichen Rückschlüsse über Reaktionen, die während ihrer Bildung ablaufen.

Ursprung der Kohlenstoffatome nachgewiesen

In der Zeit der Zellformierung kommt es zu zahlreichen komplexen, elektrochemischen Reaktionen in der Batteriezelle. Einige von ihnen sind für die Ausbildung der SEI unerlässlich. Andere wiederum haben die weitere, unerwünschte Zersetzung des Elektrolyten zur Folge. „Um diese Prozesse zu beeinflussen, wollen wir die zugrundeliegenden Reaktionen so entschlüsseln, dass die Ausbildung der SEI mittels Additive optimiert oder diese gar künstlich und damit maßgeschneidert synthetisiert werden kann“, erklärt MEET Forscher Christoph Peschel. Ein besonderes Augenmerk hat das Team in dieser Studie auf die Analyse von Alterungsprodukten im Elektrolyten gelegt.

Dafür haben sie einen Bestandteil des Elektrolyten kohlenstoffisotopenmarkiert. Anschließend haben die Wissenschaftler dessen Reaktionswege während der Ausbildung der Grenzschicht unter Einsatz von Massenspektrometrie und Fragmentierungsexperimenten untersucht. „Dabei konnten wir den Ursprung der Kohlenstoffatome, die im Alterungsprodukt auftraten, erfolgreich identifizieren“, sagt Peschel. Um insbesondere auch geringkonzentrierte, flüchtige organische Substanzen entnehmen und nachweisen zu können, kombinierten die Forscher außerdem gaschromatographische Verfahren mit Techniken zur Aufkonzentration mittels Festphasenmikroextraktion.

Studie als Coverpage veröffentlicht

Die präzisierten Erkenntnisse über Alterungsmechanismen in der Lithium-Ionen-Batterie haben die MEET Wissenschaftler Christoph Peschel, Fabian Horsthemke, Marco Leißing, Dr. Simon Wiemers-Meyer, Jonas Henschel, Prof. Dr. Martin Winter und Dr. Sascha Nowak als Coverpage in dem Fachmagazin „Batteries & Supercaps“ veröffentlicht. Der Artikel in englischer Sprache ist frei verfügbar.

Mit ihrer Studie knüpfen die Wissenschaftler an die intensive Erforschung des Elektrolyten am MEET Batterieforschungszentrum an. Bereits mit den Ergebnissen aus vorangegangenen Untersuchungen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein besseres Verständnis von dessen Zersetzung erzeugt.