Neuartige Elektrolyt-Zusammensetzung steigert Lebensdauer siliziumhaltiger Anoden
Um die Performanz von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, versucht die aktuelle Forschung die Energiedichte der Zellen weiter zu steigern. Die Kopplung nickelreicher Schichtoxidkathoden und siliziumbasierten Anoden (z.B. SiOx-Graphit) bei gleichzeitiger Erhöhung der oberen Grenzspannung über 4,3 V gilt dabei als ein vielversprechender Weg. Gegenwärtig stellt jedoch die Instabilität des Elektrolyten bei Lithium-Ionen-Zellen mit SiOx-basierten Anoden noch eine große Herausforderung dar, da sie zu abruptem Zellversagen führen kann. Einem Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münster (IMD-4; HI MS) des Forschungszentrums Jülich ist es nun gelungen, durch die Kombination zweier Elektrolytadditive eine deutlich verbesserte Lebensdauer für Lithium-Ionen-Batterien mit siliziumhaltigen Anoden zu erreichen.
Wechselwirkung der Additive sorgt für effektiven Schutz der Anode
Bei Spannungen oberhalb von 4.2 V kommt es zur Übergangsmetallauflösung von Nickel, Mangan und Cobalt in der Kathode. Die im Elektrolyten gelösten Metalle wandern zur Anode, wo sie zu schädlichen Reaktionen und zur Lithiummetallabscheidung führen. Als Folge dessen fällt die Energie der Batterie stark ab. Die Wissenschaftler*innen entwickelten jetzt einen Elektrolyten, in dem die zwei Additive 1,1′-Sulfonyldiimidazol (SD) und Fluorethylencarbonat (FEC) in einem bestimmten Verhältnis kombiniert werden. Durch die Wechselwirkung der beiden Stoffe bildet sich eine Schutzschicht, die den Energieabfall der Batterie über die Lebensdauer der Zelle hinweg deutlich reduziert. „Die Anode übersteht so geschützt die starken Volumenänderungen des Siliziums weitestgehend unbeschadet“, erläutert MEET Forscher Dr. Philip Niehoff die Wirkweise.
Außerdem unterdrückt das verbleibende 1,1′-Sulfonyldiimidazol die Übergangsmetallauflösung, indem sie die schädliche Flusssäure abfängt, die durch eine Reaktion des Lithiumhexafluorophosphats im Elektrolyten und der Restfeuchte in den Zellen entsteht. „Durch die neuartige Additivkombination wird die Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI) stabilisiert und vor Angriffen dieser Säure geschützt“, so Niehoff. Die Forschungsergebnisse leisten durch die verbesserte Lebensdauer und Performanz der Zellen einen wichtigen Beitrag zu notwendigen Kostensenkungen bei der Herstellung von Batteriesystemen.
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Feleke Demelash, Anindityo Arifiadi, Bastian Heidrich, Egy Adhitama, Christian-Timo Lechtenfeld, Niklas M. Abke, Dr. Philip Niehoff und Dr. Simon Wiemers-Meyer, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Matthias Weiling, Jian Fen Wang, Diddo Diddens und Masoud Baghernejad, Helmholtz-Institut Münster (IMD-4; HI MS) des Forschungszentrums Jülich und Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster im Fachmagazin „Energy Storage Materials” veröffentlicht.