Transfer-Lithiierung bedingt Materialstress von Silizium-/Grafit-Kompositanoden
Siliziumanteile in der Grafitelektrode können die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien deutlich erhöhen und das Anodenvolumen relevant verringern. Doch gleichzeitig führen sie zu einem Kapazitätsabfall und damit zu einer verkürzten Lebensdauer der Zellen. In einer gemeinsamen Studie haben das MEET Batterieforschungszentrum und das Institut für Physikalische Chemie der Universität Münster sowie das Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich derartige Kompositanoden detailliert untersucht. Dabei stellte das Team fest, dass der Materialstress von Silizium derzeit langfristig noch nicht minimiert werden kann – auch dann nicht, wenn das Material in nur kleinen Teilen der Grafitanode beigemischt wird.
Silizium lithiiert nach längerem Zeitraum voll
Die Forschenden analysierten unter anderem Batteriezellen mit Kompositanoden, die über einen längeren Zeitraum im geladenen Zustand gelagert wurden. „Diese Zellen litten unter Materialstress, bedingt durch volllithiiertes Silizium. Dies wollten wir durch den kleinen Siliziumanteil in der Anode ursprünglich vermeiden. Somit scheint es eine relevante Ursache für die verkürzte Lebensdauer zu sein“, sagt MEET Wissenschaftler Dr. Lars Frankenstein. Den stets höher werdenden Lithierungsgrad des Siliziums beim Laden, vor allem aber im geladenen Zustand, führte das Forschungsteam auf die Transfer-Lithiierung zurück. Während das Lithium beim Laden zunächst zum Grafit wandert, beginnt im Laufe der Zeit der ‚schädliche‘ Transfer zum Silizium, bis dieses voll lithiiert und damit überdosiert ist.
Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des Forschungsbereichs Materialien am MEET Batterieforschungszentrum, ergänzt: „Um die negativen Auswirkungen in der Anwendung minimieren zu können, ist das Material derzeit prominent in Forschung und Entwicklung vertreten. In unserer Studie haben wir die Zeit im geladenen Zustand als relevanten Faktor identifiziert, um Kompositanoden auf Basis von Silizium und Grafit weiter untersuchen, bewerten und entwickeln zu können.“
Gesamte Studie online verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse haben die Forschenden Dr. Lars Frankenstein, Pascal Jan Glomb, Leon Focks, Dr. Aurora Gomez-Martin, Dr. Tobias Placke und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum, Prof. Dr. Michael Ryan Hansen und Steffen Böckmann, Institut für Physikalische Chemie der Universität Münster, Marvin Mohrhardt, Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin „ChemSusChem” veröffentlicht.