Neue Erkenntnisse über die Homogenität von Interphasen

Interphasen haben enormen Einfluss auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batteriezellen (LIB). Ihre Zusammensetzung, Dicke und Homogenität zu verstehen, ist daher unerlässlich. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums um Bastian Heidrich hat deshalb untersucht, wie homogen die Solid Electrolyte Interphase (SEI) und die Cathode Electrolyte Interphase (CEI) an der Schnittstelle zwischen negativer bzw. positiver Elektrode und dem Elektrolyten sind. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Messungen haben gezeigt, dass die Dicke des organischen Anteils der SEI variiert.

Einheitliche Messmethodik für eine bessere Vergleichbarkeit

Untersucht wurden die Interphasen mehrlagiger Pouchzellen jeweils an unterschiedlichen Punkten und auf mehreren Elektrodensheets je Zelle. „Insgesamt haben wir 106 Messungen vorgenommen – eine enorme Anzahl in der Batterieforschung“, sagt MEET Wissenschaftler Bastian Heidrich. Mit dem Ergebnis, dass beide Interphasen lokal – in einem Radius von etwa einem Quadratzentimeter – sehr homogen sind. Wird der Messradius auf derselben Probe auf etwa fünf Quadratzentimeter ausgeweitet, weichen die Dicken der SEI stark voneinander ab. „Indem wir den organischen und anorganischen Teil der SEI separat voneinander analysiert haben, haben wir gezeigt, dass insbesondere die Dicke des organischen Anteils der SEI stark variieren kann. Werden XPS-Ergebnisse von Proben unterschiedlicher SEI-Dicke verglichen, kann dies zu erheblicher Fehlinterpretation führen. Eine variierende SEI-Dicke bedeutet nicht, dass die Zusammensetzung der Interphase selbst inhomogen ist, auch wenn XPS-Ergebnisse solcher Proben dies durch hohe Standardabweichung so erscheinen lassen“, so Heidrich.

XPS-Messungen sind bereits seit den 1980er Jahren in der Batterieforschung etabliert. „Mit unseren Untersuchungen zeigen wir nun, welchen Einfluss Standardabweichungen auf die Interpretationen von Messergebnissen haben können“, erklärt Heidrich. „Oft ist es das Ziel, möglichst geringe Standardabweichungen zu erreichen, damit Ergebnisse eine vermeintliche Signifikanz erhalten. Wenn aber eine gewisse Standardabweichung intrinsisch für ein bestimmtes System ist, können wir aber auch aus diesen Daten Rückschlüsse über die Natur unserer Proben ziehen.“ Eine einheitliche Messmethodik und -interpretation helfe, Untersuchungsergebnisse etablierter Systeme mit denen zukünftiger Systeme vergleichen zu können, um so Ansatzpunkte zur weiteren Forschung und Entwicklung identifizieren zu können.

Original-Publikation gibt tiefere Einblicke in die Forschung

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Forschung haben die MEET Forscher Bastian Heidrich, Dr. Markus Börner, Dr. Philip Niehoff und Prof. Dr. Martin Winter als Open-Access-Artikel in dem Fachmagazin „Journal of Energy Storage“ veröffentlich.