Einfluss von Übergangsmetallen auf Batteriealterung entschlüsselt

Wie beeinflussen gelöste Übergangsmetalle aus der Kathode die Alterung von Lithium-Ionen-Batterien? Dieser Frage widmete sich eine aktuelle Studie von Forschenden des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster. Mithilfe eines neu entwickelten Zelldesigns konnten die Wissenschaftler*innen erstmals den direkten Einfluss einzelner Übergangsmetalle während des laufenden Alterungsprozesses untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere Mangan die Alterung beschleunigt – allerdings nicht durch seine Ablagerung selbst, sondern durch seine katalytische Wirkung auf die Zersetzung des Elektrolyten.

Mangan beschleunigt Batteriealterung stärker als angenommen

Als Kathodenmaterial kommen in Lithium-Ionen-Batterien häufig NMC-Materialien zum Einsatz. Während des Betriebs können sich daraus Übergangsmetalle wie Nickel, Mangan oder Cobalt lösen und auf der Anode abscheiden. Dieser als Übergangsmetallabscheidung bekannte Prozess gilt als wichtiger Einflussfaktor für die Lebensdauer von Batteriezellen. „Unsere Methodik ermöglicht es erstmals, den Einfluss einzelner Übergangsmetalle gezielt während der Alterung einer bereits formierten Zelle zu untersuchen“, erläutert MEET Wissenschaftler Tobias Brake. Mithilfe eines speziell entwickelten Zelldesigns mit integriertem Injektionsport konnten die Forschenden Übergangsmetalle gezielt erst nach der Bildung einer intakten Grenzschicht Solid Electrolyte Interphase (SEI) in die Zelle einbringen und ihren Einfluss unter realitätsnahen Bedingungen direkt verfolgen.

Die Ergebnisse zeigen, dass nicht die metallische Ablagerung selbst den größten Beitrag zum Kapazitätsverlust leistet, sondern vielmehr die Zersetzung des Elektrolyten fördern und den Verlust von aktivem Lithium beschleunigen. „Wir konnten zeigen, dass insbesondere Mangan als Katalysator für die Elektrolytzersetzung wirkt und so maßgeblich zum Kapazitätsverlust beiträgt“, resümiert Brake. Darüber hinaus untersuchten die Forschenden den kombinierten Einfluss von Übergangsmetallen und Wasser. Ein Aspekt, der insbesondere im Zusammenhang mit der wässrigen Prozessierung von NMC-Elektroden an Bedeutung gewinnt. Die neu entwickelte Methode eröffnet vielfältige Möglichkeiten, künftig den Einfluss von Elektrolytadditiven oder Gasen auf Alterungsprozesse zu untersuchen.

Detaillierte Ergebnisse online verfügbar

Die gesamte Studie haben die Forschenden Tobias Brake, Kai Brüning, Dr. Simon Albers, Dr. Simon Wiemers-Meyer und Dr. Sascha Nowak, MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Journal of The Electrochemical Society“ veröffentlicht.