Neue Analysemethoden für langlebigere Lithium-Ionen-Batterien

MEET Wissenschaftsteam ermöglicht detaillierte Untersuchung der Übergangsmetallauflösung

Wie kann die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) weiter verbessert werden? MEET Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Lenard Hanf entwickelten dafür neue Verfahren für die Kapillarelektrophorese. Diese ermöglichen erstmals eine detaillierte Analyse der Übergangsmetallauflösung in Lithium-Ionen-Batterien. Mehr lesen.

Die Untersuchung gelöster Manganspezies (Mn2+ und Mn3+) in Lithium Ionen Batterien mit der neu entwickelten Methode für die Kapillarelektrophorese hilft, die Auflösungsmechanismen manganhaltiger Kathoden besser zu verstehen
© Wiley-VCH GmbH

Neue Methodik liefert bisher unbekannte Detailergebnisse

Die Auflösung von Übergangsmetallen im Elektrolyten führt zu Kapazitätsverlusten und verkürzt so die Lebensdauer der LIB. Bisher gab es keine geeignete Methode, um die Oxidationsstufen mehrerer gelöster Übergangsmetalle aus Kathodenmaterialien oder Stromsammlern der LIB – wie zum Beispiel Kupfer oder Mangan – gleichzeitig bestimmen zu können. Hinzu kommt, dass deren Analyse ein noch junges Forschungsgebiet ist.

„Bis dato wurde häufig nur der Gesamtgehalt an gelösten Übergangsmetallen im Elektrolyten untersucht. Dadurch gingen wichtige Informationen verloren, zum Beispiel darüber, in welcher Oxidationsstufe die Übergangsmetalle überhaupt auftreten und welchen Einfluss ein einzelnes von ihnen auf die Performanz der Zelle haben kann“, erklärt MEET Wissenschaftler Lenard Hanf. Diese Erkenntnisse seien aber fundamental, um langlebigere LIBs entwickeln zu können. Denn sie bilden die Grundlage, um der Übergangsmetallauflösung mit passgenauen Additiven oder Ionenfängern entgegenwirken zu können und so die LIB weiter zu optimieren.

Aus diesem Grund haben die MEET Forschenden neue Methoden für die Kapillarelektrophorese entwickelt. Sie ermöglichen es nun, die Oxidationsstufen mehrerer gelöster Übergangsmetalle gleichzeitig zu bestimmen. Eine der größten Herausforderungen war es dabei, die Methodiken so zu entwickeln, dass die zu untersuchenden Proben bei Entnahme und Analyse nicht verändert werden. Denn dadurch würden wichtige Informationen verloren gehen. „Wir haben die teils instabilen und hochsensiblen Metalle mit geeigneten Komplexbildnern stabilisiert“, erklärt Hanf. Anschließend hat das MEET Wissenschaftsteam die Auflösung verschiedener Kathodenmaterialien und kupferbasierter Stromsammler im Batterieelektrolyten unter Anwendung der neuen Methodiken detailliert analysiert.

Kapillarelektrophorese wird dreimal Titelgeschichte

Die genauen Ergebnisse wie auch die neu entwickelten Methoden haben die MEET Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Lenard Hanf, Marcel Diehl, Jonas Henschel, Lea-Sophie-Kemper, Prof. Dr. Martin Winter und Dr. Sascha Nowak in drei Publikationen in dem Fachmagazin „Electrophoresis“ vorgestellt. Alle drei Open-Access-Artikel wurden als Titelgeschichte veröffentlicht und sind hier auf Englisch verfügbar:
• DOI: 10.1002/elps.201900443
• DOI: 10.1002/elps.202000097
• DOI: 10.1002/elps.202000155