Neue Elektrolytdesignstrategie für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien mit hochbeladenen Elektroden
Hochbeladene Elektroden gelten als vielversprechender Ansatz, um die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen und gleichzeitig Kosten für inaktive Materialien zu senken. Bisher ging dieser Vorteil jedoch mit einer eingeschränkten Leistungsfähigkeit einher: Durch längere Transportwege für Lithium-Ionen verlieren Zellen mit dicken Elektroden insbesondere bei höheren Lade- und Entladeraten deutlich an Kapazität. Ein Forschungsteam des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich zeigt nun, dass sich diese Herausforderung mithilfe esterbasierter Elektrolyte überwinden lässt.
Verbesserter Ionentransport erhöht Zyklenstabilität und Performance
Um die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien mit hochbeladenen Elektroden zu verbessern, untersuchte das Forschungsteam Elektrolyte auf Basis eines Esters (Methylacetat) als Lösemittel. Im Vergleich zu konventionellen karbonatbasierten Elektrolyten zeichnen sich diese durch deutlich bessere Massentransporteigenschaften aus. Dadurch können Lithium-Ionen schneller durch die porösen Elektrodenstrukturen transportiert werden – ein entscheidender Vorteil bei hochbeladenen Elektroden. In LiFePO4||-Graphit-Zellen mit einer Flächenkapazität von 5,4 mAh/cm² ermöglichten die esterbasierten Elektrolyte stabile Lade- und Entladezyklen bei einer C-Rate von 1C/1C. Nach 1.000 Zyklen verfügten die Zellen noch über 87 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Zum Vergleich: Zellen mit herkömmlichen Elektrolyten auf Karbonatbasis erreichten bereits nach 50 Zyklen nur noch rund 20 Prozent ihrer Ausgangskapazität.
Bisher wurden Elektrolyte auf Esterbasis vor allem für Lithium-Ionen-Batterien mit dünnen Elektroden untersucht, mit dem Ziel deren Schnellladefähigkeit oder Tieftemperaturperformanz zu verbessern. „Unsere Studie zeigt, dass der verbesserte Ionen-Transport in esterbasierten Elektrolyten auch für Zellen mit hochbeladenen Elektroden eine stabile Performanz bei hohen C-Raten ermöglicht“, erläutert MEET Forscher Chirag Vankani. Diese Leistungssteigerung ist darauf zurückzuführen, dass weniger Polarisation durch den Massentransport stattfindet, wodurch das Abscheiden von Lithium-Metall unterdrückt wird. Dieser Effekt verdeutlicht die kritische Rolle, die das Elektrolytdesign hinsichtlich der Leistungsdichte energiedichter Zellen spielt. „Die Studie eröffnet einen neuen Weg, hohe Energiedichte und lange Lebensdauer miteinander zu verbinden“, resümiert Dr. Markus Börner, Leiter des MEET Forschungsbereichs System Zelle.
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Chirag Vankani, Anindityo Arifiadi, Dr. Johannes Kasnatscheew, Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum, und Peng Yan, Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrum Jülich, im Fachmagazin „Advanced Energy & Sustainability Research“ veröffentlicht.