MEET Forschende entschlüsseln Reaktionswege bei Interphasenbildung in Lithium Batterien

Um die Lithium-Ionen-Batterie weiterzuentwickeln, ist es notwendig, sämtliche Prozesse und Reaktionen in ihrem Inneren bis ins kleinste Detail zu verstehen. Insbesondere Interphasen, die für die Performanz, Sicherheit und Lebensdauer der Energiespeicher essenziell sind, sind bisher nur unzureichend untersucht. Denn gegenüber gängigen Verfahren für die Probenvorbereitung sind sie besonders anfällig. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums um den Wissenschaftler Marco Leißing hat nun mittels Isotopenmarkierung und gaschromatographischer Untersuchung die Reaktionswege während der Formierung analysiert. So konnten die Forschenden nicht nur bekannte Reaktionsgleichungen bei der Interphasenbildung bestätigen, sondern auch neue Erkenntnisse über das Zersetzungsprodukt Methan liefern.

Grundlegender Ansatz für ein besseres Verständnis der Interphasenbildung

"Die direkte Analyse von Interphasen und deren Ausbildung ist nur sehr begrenzt möglich. Daher sind indirekte Methoden unerlässlich, um Rückschlüsse über die auftretenden Reaktionen und Mechanismen ziehen zu können", erklärt MEET Doktorand Marco Leißing. "Mit unserer Analyse liefern wir nun einen neuen, grundlegenden Ansatz, um Zersetzungsreaktionen bei der Interphasenbildung zu untersuchen."

Fokussiert haben sich die Wissenschaftler auf die Gasphase, die parallel zur Interphase ausgebildet wird. Durch gaschromatographischen Untersuchungen konnten sie indirekt Rückschlüsse auf die Bildungsmechanismen in den Zellen ziehen. Dazu haben die Forschenden die Lösemittel, die fester Bestandteil des Elektrolyten sind, isotopenmarkiert. Da die Lösemittel maßgeblich die Bildung von Interphasen beeinflussen, konnte das Team auf diese Weise deren Weg durch die Zellen beobachten. "Die Zersetzungsprodukte können wir so ihrem Ursprung zuordnen", sagt Leißing.

Komplexe Reaktionen führen zum Zersetzungsprodukt Methan

Auf Basis ihrer Untersuchungen bestätigten die MEET Forschenden sowohl Reaktionsgleichungen aus der Literatur, lieferten aber auch neue Erkenntnisse über das Zersetzungsprodukt Methan (CH₄). "Die Reaktionen, die dazu führen, dass Methan entsteht, laufen weitaus komplexer ab als zuvor angenommen", erläutert Leißing. Denn die beteiligten Kohlenstoff- und Wasserstoffatome kommen aus unterschiedlichen Teilen des Elektrolyten. Die Reaktionswege müssen nun in weiteren Forschungsarbeiten noch genauer entschlüsselt werden.

Die kompletten Ergebnisse ihrer Studie haben die MEET Wissenschaftler Marco Leißing, Christoph Peschel, Dr. Fabian Horsthemke, Dr. Simon Wiemers-Meyer, Prof. Dr. Martin Winter und Dr. Sascha Nowak als Open-Access-Artikel in dem Fachmagazin "Batteries & Supercaps" veröffentlicht.