Innovative Ansätze für eine verbesserte Performanz von Lithium-Metall-Batterien
Lithium-Metall-Batterien (LMB) weisen im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien eine höhere spezifische Energiedichte auf. Sie haben allerdings den Nachteil, dass sich an der Lithium-Metall-Anode bei Kontakt mit dem Elektrolyten eine inhomogene solid electrolyte interphase (SEI) ausbildet. Diese wirkt sich negativ auf die Performanz und Lebensdauer der Batterie aus. Mithilfe einer Schutzschicht kann die Zersetzungsreaktion unterbunden und eine gleichmäßigere Zyklisierung des Zellsystems erreicht werden. Einem Wissenschaftsteam des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich ist es gelungen, in Kombination mit einer neuartigen kryogenen Analyse-Methode eine solche intermetallische Lithium-Zink-Schutzschicht zu optimieren und damit die Performanz der LMB-Zellen deutlich zu steigern. Die Publikation „Tunable LiZn-intermetallic Coating Thickness on Lithium Metal and its Effect on Morphology and Performance in Lithium Metal Batteries“ ist als Editor’s Choice im Fachmagazin Advanced Materials Interfaces erschienen.
Beschichtungsdicke bestimmt Performanz mit
Die Forschenden entwickelten eine neue Post-Mortem-Analyse, bei der mithilfe einer Ionenstrahl-Präparation bei einer tiefkalten Temperatur von -160 Grad Celsius Querschnitte der Lithium-Elektroden in einem Rasterelektronen-Mikroskop erstellt werden. Dank dieser Technik konnten die Wissenschaftler*innen nachweisen, dass eine dickere, mittels thermischer Verdampfung aufgetragene, Zink-Beschichtung zu einem längeren Schutz der Lithium-Metall-Anode führt. „Die hochauflösenden Aufnahmen zeigen, dass die Dicke der Schicht nicht nur die Elektrolytzersetzung bestimmt, sondern auch die Abscheidung von Lithium während der Zyklisierung, also die Bildung des High Surface Area Lithium (HSAL), verlangsamt“, erläutert MEET Wissenschaftlerin Marlena Bela die Ergebnisse.
Neue Vorbehandlungsmethode optimiert Schutzschicht weiter
Um die Zellen noch weiter zu optimieren, nutzten die Forschenden das Roll-Pressing zur Vorbehandlung der Lithium-Metallfolie. Dabei wird mit einer Rolle, die mit Druck über das Metall geführt wird, die inhomogene Schicht auf der Oberfläche der Folie abgetragen, die sich durch Reaktionen des Lithiums mit der Atmosphäre bildet. „Wenn wir diese rissige Schicht entfernen und die Beschichtung auf die geglättete Oberfläche auftragen, entsteht eine homogenere intermetallische Schutzschicht, auf der es zu deutlich weniger HSAL-Bildung kommt als beim Auftrag ohne Roll-Pressing“, erklärt Bela. Die anschließenden Querschnittsaufnahmen zeigten, dass sich die Lebensdauer der Zellen durch diese Maßnahme deutlich verbesserte.
Gesamte Studie online verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forschenden Marlena M. Bela, Tobias Hering und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Christina Schmidt, Dr. Kerstin Neuhaus und Dr. Marian Stan, Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin „Advanced Materials Interfaces” veröffentlicht.