Aufbau der Kathoden-Elektrolyt-Grenzschicht ohne Einfluss auf Zellkapazität

Studie untersucht Auswirkungen des „inversen“ Crosstalks in Hochspannungszellen

Lithium-/Mangan-reiche Schichtoxide (LMR) gelten als vielversprechendes Kathodenmaterial für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien. Zusätzlich zu der klassischen Redoxaktivität der Übergangsmetalle wird die Kapazität auch aus der Redoxaktivität des Sauerstoffs gewonnen. Bei voller Kapazitätsausnutzung kann es jedoch zu einer Zelldegradation kommen, etwa durch die Elektrolytoxidation oder die Auflösung des Übergangsmetalls.

Ein Forschungsteam des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat nun die Auswirkungen des Aufbaus einer Kathoden-Elektrolyt-Grenzschicht (CEI) auf die Zellalterung und Performanz genauer untersucht. Eine solche CEI-Ansammlungen entsteht nicht nur durch Kathoden-Elektrolyt Reaktionen, sondern auch durch den „inversen“ Crosstalk, also die Anhäufung der löslichen Festelektrolyt-Interphasen-Komponenten (SEI), die von der Lithium-Metall-Anode diffundieren. Betrachtet wurden Batteriesysteme, bei denen Elektrolyte und Separatoren nach dem Stand der Technik (SOTA) verwendet wurden.

Begrenzte Auswirkungen der CEI-Ansammlung auf Zelldegradation

Mit ihren Untersuchungen bewerten die Forschenden die Relevanz der möglichen Auswirkungen in Hochspannungs-LMR-Li-Zellen. „Unsere Studie hat gezeigt, dass es nur eine begrenzte Auswirkung der CEI-Ansammlung auf die Kapazität gibt, sofern Separatoren und Elektrolyte nach dem Stand der Technik verwendet werden“, erläutert MEET Wissenschaftler Anindityo Arifiadi die Ergebnisse.

© Advanced Functional Materials

Damit steht die Untersuchung im Gegensatz zu einer anderen aktuellen Studie, die nachteilige Auswirkungen des „inversen“ Crosstalks auf die Kapazitätserhaltung von LiFePO4 || Li-Zellen mit niedrigerer Betriebsspannung festgestellt haben will. Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des Forschungsbereich Materialien des MEET Batterieforschungszentrums, erklärt: „Die gegensätzlichen Ergebnisse der aktuellen Forschung verdeutlichen die großen Unterschiede in den CEI-Eigenschaften, die stark von der Zellchemie und den verwendeten Zellkomponenten, wie zum Beispiel Separatoren und Elektrolyten, beeinflusst werden."

Gesamte Studie online verfügbar

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forschenden Anindityo Arifiadi, Feleke Demelash, Niklas M. Abke, Tobias Brake, Marc Vahnstiege, Lennart Alsheimer, Dr. Simon Wiemers-Meyer und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin „Advanced Functional Materials” veröffentlicht.