Anteil des Grenzschichtenwachstums am Kapazitätsverlust gealterter Batteriezellen quantifiziert

Die Grenzschichten Solid Electrolyte Interphase (SEI) und die Cathode Electrolyte Interphase (CEI) beeinflussen die Performanz und Langlebigkeit von Lithium-Ionen-Batterien maßgeblich. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat diese Schichten, die sich an den Grenzen von Elektroden und Elektrolyt bilden, mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) kombiniert mit der Stickstoff-Sorption untersucht und dabei nachgewiesen, dass die Zunahme der Schichtdicken über den Betrieb nur in geringfügigem Maße die Lithium- und damit Kapazitätsverluste in den Zellen erklären kann. Sie stellten stattdessen fest, dass heterogene Rückstände auf der negativen Elektrode, die nicht Teil der SEI sind, einen erheblichen Teil des verlorenen Lithiums binden. Mit dieser geschickten Methodenkombination zeigten die Forschenden zudem, dass sich die Oberflächen sowohl der negativen als auch der positiven Elektrode mit der Alterung stark vergrößern.

Methodenkombination liefert neue Erkenntnisse

MEET Wissenschaftler Bastian Heidrich erklärt: "Wir haben zum ersten Mal die Methode der Stickstoff-Sorption zur Bestimmung der Oberfläche mit den durch XPS gemessenen Schichtdicken verbunden, um das mögliche SEI- und CEI-Wachstum dreidimensional zu erfassen. Dadurch konnten wir nachweisen, dass das Dickenwachstum der SEI sehr gering ausfällt, während die CEI deutlich dicker wird. Sowohl die positive als auch die negative Elektrode zeigten nach der Alterung allerdings eine vergrößerte Oberfläche." Als Einflussfaktor für Kapazitätsverluste identifizierten die Forschenden somit einerseits das Dicken- aber vor allem das Flächenwachstum der Grenzschichten. Insbesondere bei erhöhter Betriebstemperatur war jedoch auch ein erheblicher Teil des verlorenen Lithiums in heterogenen Rückständen auf der negativen Elektrode gebunden, die nicht Teil der SEI sind. Das kontinuierliche Flächenwachstum der SEI und heterogene Alterungsprozesse sind somit die ausschlaggebenden Faktoren für den Kapazitätsverlust.

Komplette Studie online frei verfügbar

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Autor*innen Bastian Heidrich, Maik Stamm, Dr. Olga Fromm, Johanna Kauling, Dr. Markus Börner und Dr. Philip Niehoff, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im "Journal of The Electrochemical Society" veröffentlicht.