Nachhaltiges Additiv verlängert Lebensdauer von Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien
Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich durch eine hohe Energie- und Leistungsdichte aus, weisen jedoch eine verkürzte Lebensdauer auf. Ursache dafür ist die Elektrodeninstabilität durch eine erhöhte Delithiierung: Mehr extrahierte Lithium-Ionen führen zu unerwünschten Phasenumwandlungen und erhöhen die Auflösung von Übergangsmetallen. Dies löst eine Fehlerkaskade aus, den sogenannten „Elektroden-Crosstalk“, bei dem die Metalle zur Anode wandern und die Oberfläche schädigen, was die Lebensdauer der Batteriezellen verkürzt. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums und des Instituts für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der Universität Münster hat nun untersucht, ob dieser Prozess mithilfe eines biobasierten Elektrolyt-Additivs verhindern werden kann.
Maleimid sorgt für intakte Anodenoberfläche
Nach dem Screening möglicher biobasierter Additive identifizierte das Forschungsteam das fluorfreie Maleimid als geeignete chemische Verbindung. „Obwohl Maleimid den Crosstalk und die Menge an aufgelösten Übergangmetallen auf der Anode nicht unterdrückt, bleibt die Anodenoberfläche intakt und frei von den unerwünschten Lithium-Metall-Ablagerungen“, ordnet MEET Wissenschaftler Dr. Nils Flothkötter die Ergebnisse ihrer Analysen ein. Grund dafür ist, dass die schützende Passivierungsschicht, die Solid Electrolyte Interphase (SEI) zwischen dem Elektrolyt und Elektrode, aus oligo- und polymerbasierten Zersetzungsprodukten des Maleimids besteht. Diese fangen die Übergangsmetalle über ihre koordinierende Chemie auf der äußeren SEI-Schicht ab und verhindern so, dass die Metalle die essenziellen Pfade für den Lithium-Ionen-Transfer blockieren. „Damit hat Maleimid substanzielle Vorteile gegenüber dem literaturbekannten Additiv Lithiumdifluorophosphat, das beispielsweise chemisch und thermisch instabil ist“, sagt Flothkötter.
Die Ergebnisse zeigen gleich zweierlei: Zum einen ist nicht die Menge des Crosstalks entscheidend für die Lebensdauer der Batteriezellen, sondern vielmehr, wo genau sich die Übergangsmetalle auf der Anode ablagern. „Zum anderen haben wir erstmals die Rolle der SEI in diesem Zusammenhang gründlich untersucht und nicht nur deren Relevanz für Hochvolt-Anwendungen aufgezeigt, sondern auch ein vertieftes mechanistisches Verständnis erlangt“, resümiert der MEET Forscher.
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Dr. Nils Flothkötter, Dr. Simon Albers, Niklas Markus Abke, Nick Fehlings, Alexandros Tsoufios, Dr. Anindityo Arifiadi, Jakob Roland Seidl, Dr. Simon Wiemers-Meyer, Dr. Sascha Nowak, Dr. Dominik Voigt und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum, Dr. Kai-Uwe Lubisch Roelfs, Dr. Lisa Sophie Wrobel und Prof. Dr. Dirk Prüfer, Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der Universität Münster, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Advanced Energy and Sustainability Research“ veröffentlicht.
Die Ergebnisse sind eingebettet in das interdisziplinären Projekts „BIOSTORE“ der Universität Münster. Ziel des Vorhabens ist es, nachhaltige Batterien durch den Einsatz biobasierter und recyclebarer Materialien und Additive zu entwickeln. Gefördert wird das Projekt vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft (MKW) des Landes Nordrhein-Westfalen.