Parameter der Grenzfläche zwischen Lithium-Metall-Anode und Polymerelektrolyt entschlüsselt
Sie gilt als eine der Schlüsseltechnologien für Hochleistungsbatterien der Zukunft: die Lithium-Metall-Batterie (LMB). Aufgebaut zum Beispiel als Festkörperbatterie mit polymerem Elektrolyten verspricht sie eine signifikant höhere Energiedichte als die aktuell gängige Lithium-Ionen-Batterie (LIB). Doch für den endgültigen kommerziellen Durchbruch ist sie noch nicht vollständig ausgereift und kommt deshalb aktuell nur von wenigen Pilotprojekten zum Einsatz. In der Forschung bisher wenig beachtet, identifizierten die MEET Wissenschaftler um Mengyi Zhang und Martin Kolek nun weitere Faktoren, die die Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und einem polymeren Elektrolyten maßgeblich beeinflussen. Mit ihren Forschungsergebnissen liefern sie wichtige Ansatzpunkte, um die Lithium-Metall-Technologie weiter zu optimieren.
Grenzfläche als Herausforderung
Die MEET Wissenschaftler untersuchten Benetzungsphänomene und ihre Auswirkungen auf die elektrochemische Leistung von Lithium-Metall-Anoden. „Die Forschung an Grenzflächen und ihre Charakterisierung hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen“, erklärt Martin Kolek. „Das ist besonders deshalb wichtig, weil sie hilft, die Vorgänge bei der Lithium-Abscheidung und -Auflösung besser zu verstehen und somit zu neuen Lösungsansätzen führt.“
So weist die Oberfläche der Lithium-Metall-Anode mikroskopisch kleine Defektstellen auf. Sie entstehen beispielsweise während der Produktion bzw. der Bearbeitung der Lithiumelektrode oder infolge der Lithium-Abscheidung und -Auflösung während des Batteriebetriebs. Umso wichtiger ist es deshalb, dass der Elektrolyt diese Stellen benetzt, sodass eine möglichst homogene Grenzfläche sowie eine große, aktive Oberfläche entstehen. Auf diese Weise können Überspannungen, die zur Zersetzung des Elektrolyten führen oder eine unkontrollierte Keimbildung zur Folge haben können, vermindert werden. Bei dieser wird Lithium verstärkt inhomogen abgeschieden, wodurch wiederum Sicherheitsrisiken auftreten können.
Während Flüssigelektrolyte die Defektstellen nahezu komplett benetzen, steht der Festkörperelektrolyt vor der Herausforderung, eine homogene Schnittstelle zwischen zwei festen Stoffen ausbilden zu müssen. Die MEET Wissenschaftler haben nun herausgefunden, dass der viskoelastische Anteil in dem polymeren Elektrolyten das Benetzungsverhalten maßgeblich beeinflusst. Derartige Stoffe vereinen die Eigenschaften von flüssigen und festen Körpern in sich. Einfach ausgedrückt: Je verformbarer der Elektrolyt ist, desto besser kann er Defektstellen benetzen. Diese Erkenntnis reicht jedoch nicht aus, um das Benetzungsverhalten vollständig zu erfassen. Deshalb hat das Wissenschaftsteam es in der Studie noch eingehender beleuchtet.
Wichtige Erkenntnisse für das Verständnis der benetzungsbedingten elektrochemischen Grenzfläche
MEET Wissenschaftler Mengyi Zhang erläutert: „In unseren Untersuchungen haben wir die Defektstellen künstlich erzeugt und so eine raue Lithium-Oberfläche nachgeahmt. Anschließend haben wir die gekrümmten Kanten der Oberfläche variiert und ihren Einfluss auf das Benetzungs- und Abscheidungsverhalten analysiert.“ Und diese sind weitreichend: Sie beeinflussen sowohl die Keimbildung als auch die elektrochemischen Eigenschaften sowie die Impedanz der Zellen. Das bedeutet, dass die Art der Krümmung und die Güte ihrer Benetzung über die Lithium-Abscheidung und die Ausbildung von Oberflächenschichten an der Grenzfläche zwischen Lithium und Polymer-Elektrolyt mitentscheiden. Auf diese Weise bestimmen sie die Leistung und die Sicherheit der Batterie erheblich.
„Weitere Forschungen der Oberflächenkrümmung und ihrer Auswirkungen auf die Lithium-Abscheidung, auch unter variierenden Bedingungen, sind deshalb unerlässlich“, betont Zhang. Der MEET Wissenschaftler arbeitet im Rahmen seiner Promotion an der Verbesserung der (Polymer-basierten) Elektrolytsysteme für LMBs und leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Forschung an diesen Batteriesystemen.
Detaillierte Informationen zum Aufbau der Studie und zu ihren Ergebnissen haben die MEET Wissenschaftler Mengyi Zhang, Jens Becking, Dr. Marian Cristian Stan, Dr. Peter Bieker, Martin Kolek und Prof. Dr. Martin Winter in enger Zusammenarbeit mit Arthur Lenoch vom Institut für Physikalische Chemie in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht. Der Open Access Artikel ist sowohl auf Deutsch (in Kürze) als auch auf Englisch verfügbar.