Vergleichbarkeit der Interphasen in verschiedenen Lithium-Ionen-Zellformaten untersucht
Ein ausschlaggebender Faktor für die Performanz von Lithium-Ionen-Batterien sind die Solid Electrolyte Interphase (SEI) und die Cathode Electrolyte Interphase (CEI). Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster hat die Interphasen an den Elektroden dreier gängiger Zellformate mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht und verglichen. Dabei haben die Wissenschaftler nachgewiesen, dass bereits geringe Mengen Wasser die chemische Zusammensetzung und Dicke der performance-kritischen Interphasen erheblich beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass das Zellgehäuse einen maßgeblichen Einfluss auf den Wassergehalt der Zellen hat.
Schon geringer Wassergehalt beeinflusst Messergebnisse
Um eine möglichst wasserfreie Atmosphäre sicherzustellen, wurden alle Untersuchungen in einem Trockenraum durchgeführt, da die Chemie in Lithium-Ionen-Batteriezellen äußerst wasserempfindlich ist. Doch auch das Arbeiten in einem Trockenraum kann kleinste Wasserkontaminationen nicht ausschließen. „Wir haben den Wassergehalt jeder Zellkomponente vor und nach einem zusätzlichen Trocknungsschritt bestimmt“, erklärt MEET Wissenschaftler Bastian Heidrich. Maßgeblich beeinflusst wird der Gesamtwassergehalt der Zellen dabei vom Material des Zellgehäuses, der sogenannten Pouchfolie. Je kleiner die Zelle und somit ungünstiger das Verhältnis von Pouchfolienoberfläche zu Anzahl und Fläche der Elektroden, desto eher lohnt es sich, die Zellen vor dem Befüllen mit Elektrolyten zu trocknen. „Durch einen einfachen zusätzlichen Trocknungsschritt sind die XPS-Ergebnisse verschiedener Zellformate deutlich besser vergleichbar“, sagt Heidrich.
Zum anderen zeigen die Untersuchungen, dass ein weiterer Parameter bei Knopfzellen eine Rolle spielen muss. Während Pouchzellen vakuumiert werden, verbleibt in Knopfzellen Luft. „Das in der Luft enthaltene CO2, welches in der Forschung als die Performanz verbesserndes Elektrolytadditiv diskutiert wird, könnte in Knopfzellen bereits unbemerkt als natürlich vorkommendes Additiv wirken. Wir forschen bereits intensiv daran, diese Vorgänge noch besser zu verstehen“, so Heidrich.
Detaillierte Ergebnisse frei verfügbar
Die komplette Studie haben die Forscher Bastian Heidrich, Lars Pritzlaff, Dr. Markus Börner und Dr. Philip Niehoff, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im „Journal of The Electrochemical Society“ veröffentlicht.