Strategie zur Verlängerung der Lebensdauer für Hochenergiebatterien
Wissenschaftler*innen des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster und des Helmholtz-Instituts Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich zeigen in ihrer neuen Studie, wie sich die zyklische Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) im Hochenergiebereich optimieren lässt. Die Konzentration der Lithiumfluorophosphate (LixPOyFz, LPF) spielt hierbei eine zentrale Rolle.
Fehlerprozesse abschwächen
Die Erhöhung der Ladeschlussspannung führt bei LIB zu einer Erhöhung der Energiedichte, allerding auch zu einer Abnahme der zyklischen Lebensdauer, sodass hier bisher ein Kompromiss gefunden werden muss. Das Auflösen der Metalle Nickel, Cobalt und Mangan aus der Kathode und die Abscheidung dieser auf die Anode („electrode crosstalk“) stellt den Fehlermechanismus dar.
LPF erfüllen in der Batteriezelle die Aufgabe, diesen Prozess abzuschwächen. Sie fangen die Metalle ab, bevor sie der Anode schaden können. Nun konnte gezeigt werden, welchen Einfluss die Konzentration der LPF auf die Lebensdauer der LIB hat.
Intrinsische Bildung von LPF
„Eine Herausforderung in unserer Forschung besteht darin, dass sich LPF unter bestimmten Bedingungen intrinsisch bilden und die Gesamtkonzentration entscheidend beeinflussen,“ erklärt Dr. Johannes Kasnatscheew vom HI MS. Diese unerwarteten Abweichungen in der Konzentration hängen von anderen genutzten Materialien ab.
Die Zugabe der LPF zu Elektrolytsystemen über der optimalen Konzentration kann eine Überdosierung hervorrufen und der Performanz der LIB sogar schaden. Ethylencarbonat-(EC)-freie Elektrolyte beispielsweise stellen eine besondere Herausforderung dar, da sie einen erheblichen Anteil LPF intrinsisch herstellen. Im Gegensatz dazu führt die Zugabe des bekannten Additivs Vinylencarbonat sogar zu einer Verringerung der LPF-Konzentration in EC-freien Systemen, da es die intrinsische Bildung von LPF unterbindet.
Sven Klein vom MEET Batterieforschungszentrum ordnet die Ergebnisse ein: „Diese und ähnliche Effekte müssen bei der Optimierung von Elektrolytformulierungen für LIB in Hochvoltanwendungen berücksichtigt werden. Das Potenzial der LIB kann so weiter ausgeschöpft werden.“
Studie in ChemElectroChem verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse Ihrer Studie haben die Forscher*innen Lukas Stolz, Dr. Kristina Borzutzki, Dr. Johannes Kasnatscheew, HI MS, Sven Klein, Lukas Haneke, Patrik Harte, Stefan van Wickeren, Dr. Sascha Nowak, MEET Batterieforschungszentrum, und Prof. Dr. Martin Winter, HI MS und MEET Batterieforschungszentrum, als Open-Access-Artikel im Fachmagazin ChemElectroChem veröffentlicht.