Schlüsselparameter für Acetonitril-Elektrolyte identifiziert
Aufgrund seiner niedrigen Viskosität und hohen Ionenleitfähigkeit eignet sich das Elektrolytlösungsmittel Acetonitril (AN) besonders für Lithium-Ionen-Batterien, die schnellladefähig sein und bei niedrigen Temperaturen betrieben werden sollen. Eine der größten Herausforderungen ist jedoch seine Instabilität gegenüber der Grafitanode. Acetonitril kann sich zersetzen, bevor sich eine ausreichend schützende Solid Electrolyte Interphase (SEI) zwischen Elektrolyt und Elektrode während des ersten Lade- und Entladevorgangs gebildet hat. Das daraus resultierende Lithium-Plating beeinträchtigt die Performanz der Batteriezelle. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat deshalb untersucht, wie das Elektrolytadditiv Vinylencarbonat (VC) dazu beitragen kann, dass sich in Lithium-Ionen-Batterien mit Acetonitril-Anteil eine ausreichende SEI bilden kann.
Verhältnis von Masse zu Oberfläche essenziell
Die Studie zeigt, dass 27,5 Volumenprozent (Vol.-%) Acetonitril im Elektrolyten eingesetzt werden können, wenn die Additive VC und Ethylensulfit (ES) passend ergänzt werden. „Dabei haben wir nicht die absolute Menge an VC, sondern das Verhältnis der VC-Masse zur Oberfläche des Grafits (VC/GRSA) als entscheidenden Faktor identifiziert, um die Ausbildung der SEI gezielt zu ermöglichen“, erklärt MEET Wissenschaftler Maik Stamm. Das Forschungsteam ermittelte einen Wert von 59,06 Milligramm VC pro Quadratmeter Grafitoberfläche (mg/m²), damit sich die erforderliche Schutzschicht bilden kann. Im Ergebnis lässt sich ein höherer Acetonitril-Anteil mit einem deutlich reduzierten Elektrolytvolumen in Lithium-Ionen-Batterien einsetzen, ohne bereits bei der Zellformierung Lithium-Plating zu verursachen.
Dr. Philip Niehoff, stellvertretender Leiter des Forschungsbereichs „System Zelle“, betont: „Mit unserer Studie liefern wir wichtige Erkenntnisse, um Elektrolyte mit Acetonitril skalierbar zu verbessern. In anschließenden Forschungsarbeiten müssen wir unsere Ergebnisse nun in größeren Zellformaten und Langzeitzyklen weiter validieren.“
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Maik Stamm, Kai Büscher und Dr. Philip Niehoff, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Journal of The Electrochemical Society“ veröffentlicht.