Kompatibilität von Lithiumsquarat als Elektrolytadditiv für Prä-Lithiierung getestet
Die Prä-Lithiierung mittels Opferadditiven gilt in der Batterieforschungsforschung als besonders attraktiv, da sie leicht skalierbar und kostengünstig ist. Bei dem Verfahren oxidiert das Opferadditiv und generiert zusätzliche Elektronen und dadurch „aktives Lithium“. Die entstandene extra Kapazität kann einem raschen Kapazitätsabfall der Zellen entgegenwirken. Bekannte Opferadditive für Lithium-Ionen-Batterien sind Lithiumsquarate, die im Zuge der Prozessierung in der Regel über die Kathodenverbundelektroden eingebracht werden. Während ihrer Oxidation bildet sich jedoch Gas, das die Kathode beschädigt. Um das zu vermeiden, hat ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster untersucht, ob Lithiumsquarate auch als Elektrolytadditive genutzt werden können.
Oxidation an der Kathode bleibt aus
Mit ihren Untersuchungen zeigten die Wissenschaftler allerdings, dass das Material als Elektrolytadditiv nicht geeignet ist. Ursache dafür ist, dass sich Lithiumsquarat während der Formierung der Solid Electrolyte Interphase (SEI), der Schutzschicht zwischen dem flüssigen Elektrolyten und der festen Elektrode, reduktiv an der Anode abbaut. Die angestrebte Oxidation an der Kathode ist dann nicht mehr möglich. „Dieses Wissen hilft dabei, besser geeignete Opferadditive auszuwählen“, erklärt Ibrahim Lawan Abdullahi, Doktorand am MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster und der internationalen Forschungsschule BACCARA. Zusätzlich zu dem Oxidationspotenzial der Kathode müssen sie an der Anode weniger reduktiv sein, damit das Additiv nicht abgebaut wird.
Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des Forschungsbereichs Materialien am MEET Batterieforschungszentrum, ergänzt: „Insbesondere für Batterien der nächsten Generation wie beispielsweise Zero-Excess-Lithium-Metall-Batterien oder Zellen mit Siliziumanoden kann die Prä-Lithiierung ein Türöffner sein, da sie hohe Kapazitätsverluste ausgleicht.“ Der Verfahren ist jedoch empfindlich und erhöht durch zusätzliche Verarbeitungsschritte die Kosten. „Gerade deshalb ist die Prä-Lithiierung mittels Opferadditiven so interessant. Denn sie ist einfach und wirtschaftlich attraktiv. Es sind jedoch noch Forschung und Entwicklung erforderlich, um die technischen Hürden besser zu verstehen und zu lösen“, sagt Kasnatscheew.
Gesamte Studie online verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse haben die Forschenden Ibrahim Lawan Abdullahi, Dr. Anindityo Arifiadi, Alexandros Tsoufios, Nick Fehlings, Silvan Stuckenberg, Dr. Lukas Stolz, Dr. Dominik Voigt und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Advanced Science” veröffentlicht.