Optimale Spannung für positive Wirkung von Lithium-Difluorophosphat-Additiv

Verbesserung der Lebensdauer von Hochenergie Lithium-Ionen-Batterien durch Elektrolyt-Additiv hängt von Betriebsspannungsgrenzen ab

Um hochenergetische und gleichzeitig kostengünstige Lithium-Ionen-Batterien (LIB) herzustellen, können zum Beispiel Schichtoxide bei höheren Spannungen oder Lithium-/Mangan-reiche Schichtoxide (LMR) als Kathodenmaterial genutzt werden. Diese weisen eine hohe spezifische Entladekapazität mit erhöhter Entladespannung auf. Die extremen Bedingungen unter der erhöhten Zellspannung führen wiederum zu einer frühzeitigen Alterung der Zellen, da unter anderem Sauerstoff freigesetzt wird, die Spannung abfällt und Übergangsmetalle aufgelöst werden. In Zellen mit Grafitanoden ist letzteres besonders nachteilig, da sie diese via „Elektroden-Crosstalk“ schädigen.

Um das zu verhindern und die Lebensdauer von LIB weiter zu verbessern, setzt die aktuelle Forschung verschiedenste Elektrolyt-Additive ein. Dabei nimmt Lithium-Difluorophosphat (LiDFP) eine zentrale Rolle bei der Unterdrückung des Crosstalks ein, da es die gelösten Übergangsmetalle verlässlich abfängt. Eine Studie des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat nun untersucht, welche Grenzen dieses Additiv aufweist.

Balance von Zersetzungsprodukten und gelösten Übergangsmetallen

Bei Zellen, die mit 4,5 V geladen werden, kommt es zu einem Gleichgewicht zwischen der Zersetzung des Additivs und der Auflösung der Übergangsmetalle aus der Kathode. Das LiDFP-Zerfallsprodukt verbindet sich effektiv mit den gelösten Übergangsmetallen, was den Crosstalk und Metallablagerungen auf der Anode verhindert und die Lebensdauer der Zellen verlängert. Bei einer Spannung von 4,7 V sind sowohl der LiDFP-Zerfall als auch die Auflösung der Übergangsmetalle stärker ausgeprägt. „Aufgrund der begrenzten Löslichkeit erhöht sich die Konzentration der Zersetzungsprodukte im Elektrolyten jedoch nicht merklich. Damit kippt das Gleichgewicht, da nicht genügend Zersetzungsprodukte vorhanden sind, um die größere Menge an Übergangsmetallen zu binden“, erläutert MEET Wissenschaftler Anindityo Arifiadi. Dieser Überschuss lagert sich in der Folge an der Grafit-Anode ab, schädigt diese und verkürzt die Lebensdauer der Zelle.

© Energy & Environmental Materials

Die Ergebnisse der Studie ermöglichen es dem Forschungsteam, das Potenzial und der Grenzen des Einsatzes von LiDFP als Elektrolyt-Additiv für Hochenergie LIB besser zu verstehen. Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des Forschungsbereich Materialien des MEET Batterieforschungszentrums, ordnet die Ergebnisse ein: „Obwohl die durch die Interphase verursachte Kapazitätsverschlechterung bei einer mäßig hohen Ladespannung (4,5 V) durch den Einsatz von LiDFP abgefangen wird, ist der Hauptbegrenzungsfaktor für LMR-basierte LIB noch immer die Massendegradation der Schichtoxide selbst.“

Gesamte Studie online verfügbar

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forschenden Anindityo Arifiadi, Feleke Demelash, Tobias Brake, Christian Lechtenfeld, Sven Klein, Dr. Simon Wiemers-Meyer und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin „Energy & Environmental Materials” veröffentlicht.