Neuartige Methodenkombination bewertet Sicherheitseigenschaften von Lithium-Metall-Batterien
Die Sicherheit von Batteriezellen zählt zu ihren Schlüsselparametern. Insbesondere bei neuen Batteriesystemen ist es daher unerlässlich, diese bis ins kleinste Detail zu erforschen, bevor sie kommerzialisiert werden können. Eine am MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster durchgeführte Studie ermöglicht es nun, die Sicherheitseigenschaften von Lithium-Metall-Batterien und deren Wechselwirkung mit Alterungseffekten zu beurteilen. Den Fokus legten die Forschenden darauf, den Einfluss der zyklischen Alterung und der damit verbundenen Lithiummetallabscheidung auf die thermische Stabilität zu entschlüsseln. Dafür nutzten sie eine neuartige Kombination aus thermischen und morphologischen Analysemethoden.
Thermische Stabilität korreliert mit Morphologie des abgeschiedenen Lithiums
Untersucht wurden Zellen, die sich in Bezug auf den Grad der Alterung, den Ladezustand und die Stromdichte während des Zyklisierens unterschieden. Dabei führte die Akkumulation hochporöser Lithiummetallablagerungen, die während des Ladens und Entladens entstehen, zu einem signifikanten Anstieg der freigesetzten Wärme, wenn die Batterie thermisch belastet wird. Ursache dafür ist die stark exotherme Reaktion zwischen dem abgeschiedenen Lithium und dem Flüssigelektrolyten bei erhöhten Temperaturen. „Die thermische Stabilität korreliert mit der Morphologie des abgeschiedenen Lithiums“, erklärt MEET Wissenschaftler Lukas Hellweg. Das sogenannte High Surface Area Lithium (HSAL) reduziere die thermische Stabilität drastisch.
Um die Thermoanalysen an Knopfzellen durchführen zu können, haben die Wissenschaftler die dynamische Differenzkalorimetrie, die für thermische Messungen genutzt wird, entsprechend angepasst. Mithilfe einer thermisch stabilen Dichtung ermöglichte es das Forschungsteam, thermisch induzierte Reaktionen zwischen den verschiedenen Komponenten innerhalb der Knopfzelle systematisch und reproduzierbar untersuchen zu können. Mittels fokussiertem Ionenstrahl in Kombination mit Rasterelektronenmikroskopie konnten sie anschließend die Korrelation zwischen der Morphologie der Lithiummetallabscheidung und der thermischen Stabilität feststellen.
Gesamte Studie online frei verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Wissenschaftler Lukas Hellweg, Thomas Beuse und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Journal of The Electrochemical Society veröffentlicht.