Prä-Lithiierungsverfahren „Thermische Bedampfung“ auf praktische Anwendbarkeit untersucht

Studie ebnet den Weg für weitere Forschung an Siliziumanoden

Ein vom MEET Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) entwickeltes, innovatives Prä-Lithiierungsverfahren für Siliziumanoden (Si-Anode) sieht die thermische Bedampfung reiner dünnschichtiger Si-Anoden mit Lithium-Metall vor. Anstatt sich mit den Herausforderungen der unvermeidlichen Volumenausdehnung zu befassen, die während des Betriebs von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mit Si-Anode auftritt, zielt die Prä-Lithiierung darauf ab, den daraus folgenden aktiven Lithiumverlust vor Einsatz in der LIB-Zelle zu kompensieren. In einer Studie haben die Wissenschaftler*innen nun die praktische Anwendbarkeit des innovativen Verfahrens bei der Verwendung von Verbundelektroden systematisch untersucht.

Prälithiierung
Die praktische Relevanz der thermischen Bedampfung als Prälithiierung wurde im NCM-811 || μ-Si-Vollzellenaufbau untersucht.
© Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Detaillierte Untersuchung von Lithium-Metall- und Vollzellen mit prä-lithiierter Si-Elektrode

Die prä-lithiierten negativen Elektroden auf Siliziumbasis wurden sowohl in Lithium-Metall- als auch in Vollzellen mit Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, NCM-811) als Kathodenmaterial mit zwei oder drei Elektroden untersucht. "Auf diese Weise konnten wir eine umfassendere elektrochemische Analyse durchführen als bisher und die praktische Relevanz des Verfahrens bewerten", sagt Egy Adhitama, Promovend der Internationalen Forschungsschule für Batterie-Chemie, Charakterisierung, Analyse, Recycling und Anwendung (BACCARA) und des MEET Batterieforschungszentrums der WWU. Als Kathodenmaterial für die Vollzellen wurde Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt (NCM-811) gewählt, da dieses Material in Verbindung mit einer mikroskopisch kleinen pulverbasierten Si-Anode das Potenzial hat, die Energiedichte von LIBs deutlich zu erhöhen – eine Anforderung, die beispielsweise für die  Elektromobilität wichtig ist. Die Ergebnisse zeigen, dass prä-lithiierte Si-Vollzellen mit NCM-811-Kathode eine höhere anfängliche Entladekapazität erreichen und ihre Kapazität besser aufrechterhalten können als Zellen, die nicht prä-lithiiert wurden. Darüber hinaus werden in der Studie die erheblichen Auswirkungen des Kapazitätsausgleichs zwischen negativer und positiver Elektrode auf die Leistung von Vollzellen durch Prälithiierung erörtert.

MEET Wissenschaftlerin Dr. Aurora Gomez-Martin erklärt: "Mit unserer Studie geben wir die Richtung für weitere Forschung im Bereich der Prä-Lithiierung durch thermische Bedampfung reiner Si-Anoden mit Lithium-Metall vor. Ziel ist es, langfristig ein Zellsystem mit Si-Anode zu entwickeln, bei dem keine Stabilitätsprobleme oder geringere Energiedichten auftreten."

Komplette Studie frei verfügbar

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forschenden Egy Adhitama, Internationale Forschungsschule BACCARA und MEET Batterieforschungszentrum, Marlena Maria Bela, Feleke Demelash, Dr. Marian Stan, Dr. Aurora Gomez-Martin und Dr. Tobias Placke, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum sowie Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin "Advanced Energy Materials" veröffentlicht.