Neue Perspektiven für SEI-bildende Additivverbindungen

Fluorethylencarbonat verbessert als molekulares Werkzeug die Grenzflächenbildung in Lithium-Ionen-Batterien

Funktionale Additive sind eine effektive Methode, um maßgeschneiderte  Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien (LIB) zu entwickeln. Sie können beispielsweise dabei unterstützen, dass sich stabile Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektroden bilden, ohne dass der Elektrolyt dabei zersetzt wird. Fluorierte zyklische Phosphazenverbindungen in Kombination mit Fluorethylencarbonat (FEC) gelten als vielversprechende Elektrolytzusätze, die sich zersetzen können, um eine wirksame, dichte und dünne Schutzschicht auf der Oberfläche der Elektroden zu bilden. In einer gemeinsamen Studie des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich haben Wissenschaftler*innen nun untersucht, welche Wechselwirkung beide Additive während des Batteriebetriebs aufeinander haben und wie sie die Ausbildung der Grenzfläche auf Anodenseite, der Solid Electrolyte Interphase (SEI), beeinflussen.

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Neu charakterisierte Eigenschaft von FEC verbessert SEI-Bildung

Analysiert hat das Forschungsteam die beiden Additive FEC und das Phosphazen-basierte Ethoxy(pentafluor)cyclotriphosphazen (EtPFPN) in einem aprotischen organischen Elektrolyten in LIB-Vollzellen. „Wir haben untersucht, welchen Einfluss der dual-additive Ansatz auf die Ausbildung der SEI hat und wie die Elektrolytkomponenten miteinander reagieren, um Nebenreaktionen zu hemmen“, erklärt MEET Wissenschaftler Adjmal Ghaur. Mithilfe von in situ Messungen charakterisierte das Team eine neue Eigenschaft von FEC, den sogenannte molecular-cling-effect (MCE). Dieser ermöglicht es der Additivverbindung, sich effektiv an der Anodenoberfläche zu klammern und so an der SEI-Bildung mitzuwirken, ohne dass negative Auswirkungen auf das Lösungsmittel und die elektrochemische Leistung der Batteriezelle auftreten. „Derzeit gibt es in der Literatur kaum einen vergleichbaren Verstärkungseffekt für FEC. Die SEI-Bildung in LIB-Zellen wird verbessert und es eröffnen sich neue Perspektiven für SEI-Additivverbindungen“, ordnet Ghaur ein. Diese müssen nun weiter erforscht werden.

Gesamte Studie online frei verfügbar

Die gesamte Studie haben die Wissenschaftler*innen Adjmal Ghaur, Christoph Peschel, Iris Dienwiebel, Leilei Du, Laurin Profanter, Dr. Sascha Nowak, und Dr. Tobias Placke, MEET Batterieforschungszentrum, Felix Pfeiffer, Dr. Diddo Diddens, Matthias Weiling und Dr. Masoud Baghernejad, Helmholtz-Institut Münster, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Magazin „Small“ veröffentlicht. Die Forschung enthält Ergebnisse der Forschungsprojekte „Grüne Elektrochemische Energiespeicher“ (GrEEn) und „Elektrolytformulierungen für Lithiumbatterien“ (EFoBatt).