Zweiphasige Schutzschicht verbessert Zyklenstabilität von Lithium-Metall-Batterien

Lithium-Metall-Batterien zeichnen sich durch eine höhere Kapazität und spezifische Energie als Lithium-Ionen-Batterien aus. Da das Lithium-Metall jedoch, insbesondere gegenüber einem flüssigen Elektrolyten, sehr reaktiv ist, sind Schutzschichten auf der Lithiumoberfläche erforderlich. Sie verhindern parasitäre Reaktionen mit dem Elektrolyten. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich hat nun eine zweiphasige Schutzschicht entwickelt. Sie besteht aus einer intermetallischen und einer darüberliegenden anorganischen Ebene  und verbessert die Zyklenstabilität von Lithium-Metall-Batteriezellen.

Analyse der Querschnitte erklärt verbesserte Zyklenstabilität

In einer vorherigen Studie hatten die Wissenschaftler*innen bereits nachgewiesen, dass die Dicke der intermetallischen Schutzschicht und die Vorbehandlung der Lithiumelektrode mittels Roll-Pressen die Zyklenstabilität und Langlebigkeit einer Lithium-Metall-Batterie positiv beeinflusst. Da die intermetallische Schutzschicht jedoch weiterhin aufbrach und sich – wenn auch in geringerem Maße – High Surface Area Lithium (HSAL) während der Zyklisierung bildete, entwickelte das Forschungsteam nun, basierend auf den bisherigen Ergebnissen, eine innovative zweiphasige Schutzschicht. „Die zusätzliche anorganische Komponente ist die ideale Ergänzung. Sie sorgt für eine erhöhte Stabilität, da sie insgesamt härter ist“, erklärt MEET Wissenschaftlerin Dr. Marlena Maria Bela. Beide Schichten weisen eine hohe Leitfähigkeit von Lithium-Ionen auf und fördern deren homogene Abscheidung auf der gesamten Lithium-Elektrodenoberfläche.

Durch elektrochemische Analysen zeigten die Forschenden, dass die Zyklenstabilität von symmetrischen Zellen um 80 Prozent anstieg, wenn die Elektroden eine zweiphasige Schutzschicht aufwiesen und nicht nur durch Roll-Pressen vorbehandelt wurden. Die Stabilität von Zellen mit Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide-basierten Kathoden (NMC622||Li Zellen) verbesserte sich um 50 Prozent. „Die Analyse der Querschnitte, welche unter kryogenen Bedingungen hergestellt wurden, konnten verdeutlichen, dass die Kombination aus beiden Schichten zu deutlichen Verbesserungen führt“, erklärt Bela. Eine Einzelschicht brach bereits nach 25 Zyklen an den Stellen auf, an denen HSAL wuchs. Beim Einsatz der zweiphasigen Schutzschicht begann sich die intermetallische Schutzschicht erst nach 50 Zyklen aufzulösen. Zudem blieb die anorganische Schutzschicht intakt und schützte so das darunterliegende Lithium.

Detaillierte Ergebnisse online verfügbar

Die gesamte Studie haben die Forschenden Dr. Marlena Maria Bela, Maximilian Mense, Sebastian Greiwe, Dr. Simon Wiemers-Meyer und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum, Dr. Marian C. Stan, Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im „Journal of Materials Chemistry A” veröffentlicht.