Einfluss filmbildender Additive auf die Schutzschicht in Lithium-Metall-Batterien identifiziert
Trotz hoher Energiedichte steht die Lithium-Metall-Batterie noch vor Herausforderungen im Hinblick auf ihre Sicherheit und Lebensdauer. Ein Schlüsselfaktor, um die Technologie voranzubringen, ist die tiefgehende Analyse über die Bildungsmechanismen der Schutzschicht zwischen Metallanode und Elektrolyt, der Solid Electrolyte Interphase (SEI). Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster und des Massachusetts Institutes of Technology (MIT) hat nun die qualitative und quantitative Zusammensetzung der primären SEI in Lithium-Metall-Batterien untersucht. Einen besonderen Fokus legten die Forschenden darauf, den Einfluss der gängigen filmbildenden Elektrolytadditive Vinylencarbonat (VC) und Fluorethylencarbonat (FEC) auf die Bildung der SEI zu identifizieren.
Neu entwickelte Methode zur Probenakkumulation ermöglicht detaillierte Analysen
Im ersten Schritt entwickelten die Wissenschaftler*innen ein innovatives Verfahren, um eine ausreichend große Probenmenge zu akkumulieren. Das ist unerlässlich um eine strukturaufklärende Analyse durchführen zu können, da die Schicht vor der Zyklisierung viel dünner ist als danach und die Komponenten daher nur in sehr geringem Maße vorhanden sind. Anschließend untersuchten sie die Verbindungen mit einer großen Bandbreite an Analysemethoden: von der quantitativen Gasanalyse über die qualitative Elektrolytanalyse mittels Kernspinresonanzspektroskopie und Massenspektrometrie bis hin zur Analyse fester Rückstände mittels Röntgendiffraktometrie und quantitativer Gaschromatographie.
„So haben wir festgestellt, dass VC effektiver als FEC dazu beiträgt, eine stabile SEI zu bilden“, sagt MEET Forscher Dr. Bastian von Holtum. „FEC kann sein vollständiges Polymerisationspotenzial nur dann ausschöpfen, wenn zusätzlich das Elektrolytlösungsmittel Ethylencarbonat (EC) verwendet wird.“ Darüber hinaus identifizierte das Team weitere Unterschiede zwischen den Additiven: Sowohl die Bildung anorganischer SEI-Verbindungen als auch die gasförmiger und elektrolytlöslicher Nebenprodukte variierte. „In unserer Studie haben wir Einblicke in die Prozesse in Lithium-Metall-Batterien erhalten, die so bisher nicht analysiert werden konnten. Sie sind ein wichtiger Schritt, um die Technologie voranzubringen“, so von Holtum.
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Dr. Bastian von Holtum, Dr. Christoph Peschel, Dr. Uta Rodehorst, Dr. Sascha Nowak und Dr. Simon Wiemers-Meyer, MEET Batterieforschungszentrum, Daniel Wang und Prof. Dr. Yang Shao-Horn, Massachusetts Institute of Technology, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im „Journal of the Electrochemical Society” veröffentlicht.