Aluminiumfluorid-Beschichtung von Silizium-Anoden steigert Batteriezellleistung

Um das vielversprechende Potenzial von Silizium (Si) als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien (LIB) nutzen zu können, gilt es, bestehende Herausforderungen wie Kapazitätsverluste während des Batteriebetriebs zu überwinden. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums und der Internationalen Forschungsschule BACCARA der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster sowie des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich wies nach, dass die Beschichtung von Silizium-Dünnschichtanoden mit Aluminiumfluorid (AlF₃) zu einer Steigerung der Zyklenstabilität führt. Mit ihrer Studie entschlüsselten die Forschenden den Mechanismus und die Auswirkungen von AlF₃-Beschichtungen auf Silizium-Dünnschichtanoden und liefern wichtige Grundlagen auf dem weiteren Weg zur Kommerzialisierung der vielversprechenden siliziumbasierten Lithium-Ionen-Batterien.

Aluminiumfluorid-Beschichtung beeinflusst Grenzfläche

Während der ersten Ladezyklen von Lithium-Ionen-Batterien bildet sich auf der Anode die Solid Electrolyte Interphase (SEI). In Si-Anoden kommt es jedoch zu abrupten Volumenänderungen während der Lithiierung/De-Lithiierung. Daher kann die instabile SEI parasitäre Reaktionen an der Si|Elektrolyt-Grenzfläche während des Betriebs nicht verhindern und somit auch nicht die kontinuierliche Elektrolytreduktion und den aktiven Lithiumverbrauch. In ihrer aktuellen Studie haben die Forscherinnen und Forscher daher systematisch untersucht, wie AlF₃ als Oberflächenbeschichtung die Zusammensetzung der SEI in Abhängigkeit vom (De-)Lithierungszustand beeinflusst und die Grenzfläche schützt.

"Die Umwandlung von AlF₃ in hochgradig Li^₊-ionenleitende Lithium-Aluminium-Fluor-Phasen (z.B. Li₃AlF₆) ist für die Leistungssteigerung der Zyklenstabilität verantwortlich. Durch die Umwandlung von AlF₃ im ersten Ladezyklus wird eine große Menge an Lithium-Fluor erzeugt, welches die kontinuierliche Zersetzung der SEI verhindert", erklärt Egy Adhitama, Promovend der Internationalen Forschungsschule für Batterie-Chemie, Charakterisierung, Analyse, Recycling und Anwendung (BACCARA) und des MEET Batterieforschungszentrums.

MEET Wissenschaftlerin Dr. Aurora Gomez-Martin ergänzt: "Sobald AlF₃ lithiiert ist, besitzt es auch eine relativ hohe Ionenleitfähigkeit. Die beschichteten Si-Dünnschichten weisen eine stabilere und höhere reversible Kapazität von ≈400 mAh g-1 nach 100 Zyklen im Vergleich zu unbeschichteten Si-Dünnschichtzellen auf."

Komplette Studie in Advanced Energy Materials veröffentlicht

Autor*innen der Studie sind die Forschenden Egy Adhitama und Atif Javed, MEET Batterieforschungszentrum und Internationale Forschungsschule BACCARA, Stefan van Wickeren, Lars Frankenstein, Feleke Demelash, Lukas Haneke, Dr. Sascha Nowak, Dr. Aurora Gomez-Martin und Dr. Tobias Placke, MEET Batterieforschungszentrum, Dr. Kerstin Neuhaus, Helmholtz-Institut Münster sowie Prof Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster. Die gesamte Studie wurde als Open-Access-Artikel im Fachmagazin "Advanced Energy Materials" veröffentlicht.