Lithiumtitanat als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien untersucht

Lithiumtitanat (LTO) gilt aufgrund seiner Zyklenfestigkeit, Sicherheitseigenschaften und Leistungsfähigkeit als vielversprechendes Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Insbesondere wenn Hochleistungen unter extremen Temperaturbedingungen erforderlich sind, hat LTO Vorteile gegenüber der derzeit gängigen Grafitanode. LTO als Anodenmaterial zu nutzen geht jedoch mit dem Problem einer starker Gasentstehung in der Batterie einher. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat nun Einflussfaktoren auf diese Reaktion im Detail untersucht. Darauf aufbauend analysierten die Wissenschaftler bisher ungeklärte Alterungsmechanismen innerhalb der Zellen.

Elektrodenoberfläche sowie Binder und Lösungsmittel im Fokus  

In einer vorherigen Studie identifizierten die Forschenden bereits einen Ansatz, um die Gasentwicklung nachhaltig einzudämmen. Hohe Temperaturen während des Formierungsprozesses sorgten dafür, dass sich eine stabile und gleichzeitig schützende Zersetzungsschicht auf der Oberfläche der LTO-Verbundelektrode bildete. Diese verhinderte erfolgreich die Gasentwicklung während der zyklischen Alterung, dem mehrfachen Laden und Entladen der Batterie, ohne die Performanz zu beeinträchtigen.

„Basierend auf diesen Ergebnissen haben wir jetzt genauer untersucht, inwiefern sich unter anderem die Elektrodenoberfläche sowie der Binder und das jeweilige Lösungsmittel auf die Gasentwicklung auswirken. Indem wir die Alterungsmechanismen allumfassend und ganzheitlich verstehen, können wir die Gasentwicklung noch effektiver vermeiden“, erklärt MEET Wissenschaftler Dr. Lennart Alsheimer. Dabei führte eine vergrößerte Elektrodenoberfläche der LTO-basierten Anoden zu einer stärkeren Gasentwicklung während der zyklischen Alterung. Darüber hinaus zeigten die Forschenden auf, dass wässrig verarbeitete Anoden während der Inbetriebnahme der Batterie mehr Gas produzierten als solche, die nicht-wässrig verarbeitet wurden. Sie identifizierten außerdem die Druckverteilung auf den Elektrodenstapel als wichtigen Einflussfaktor auf die Zellkapazität während der zyklischen Alterung. „Sie ist daher ein wichtiger Indikator, der bei der Auswahl des passenden Zelldesigns berücksichtigt werden muss“, sagt Alsheimer.

Gesamte Studie online verfügbar

Die detaillierten Ergebnisse haben die Forschenden Dr. Lennart Alsheimer, Dennis Kessen, Felix Dahlhaus, Dr. Sascha Nowak und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Batteries & Supercaps” veröffentlicht.