Neue Analysemethode für Batteriezell-Alterungsmechanismen entwickelt
Silizium gilt als vielversprechendstes Anodenmaterial für Batterien der nächsten Generation. Umso wichtiger ist es, Alterungsmechanismen im Inneren der Batteriezelle zu verstehen, damit diesen gezielt entgegengewirkt und der Weg in die Anwendung geebnet werden kann. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) hat eine neue Analysemethode entwickelt, die detaillierte Einblicke in die Alterung von Elektroden während des Batteriebetriebs ermöglicht. Degradationsmechanismen wie Risse im Aktivmaterial, Pulverisierung oder extensives Wachstum der Festelektrolyt-Interphase (Solid Electrolyte Interphase, SEI) können mit der neuen Methode en Detail analysiert und neue Lösungen abgeleitet werden.
Neue Methode überwindet bisherige Analyseherausforderungen
Bildgebende Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) sind gängige ex-situ-Methoden für die Post-mortem-Analyse von Batteriematerialien. Darüber hinaus bieten in-situ-/operando-Methoden – also Analysen während des Betriebs der Batteriezelle – genauere Einblicke. Die bisherigen Herausforderungen hierbei: Bei ex-situ-SEM Messungen können kleine Veränderungen der Partikel erst gar nicht beobachten werden und die Bilder sind oft schwer vergleichbar, da unterschiedlichen Elektroden und Stellen verglichen werden. In-situ-SEM Messungen ermöglichen detaillierte Einblicke, erfordern aber ein komplexes Analyse-Set-up und spezielle Elektrolyte, welche nicht die realen Bedingungen beim Laden und Entladen in konventionellen Zellen widerspiegeln. Dem Team um MEET Forscherin Iris Dienwiebel gelang es nun, diese bisherigen Herausforderungen zu überwinden: „Wir haben erstmalig Aspekte von in-situ- und ex-situ-SEM/EDX-Messungen kombiniert und eine neue Methode (quasi in-situ) entwickelt, die sehr detaillierte Einblicke in die Alterung von Elektroden in einem konventionellen Zell-Set-up mit einem Carbonat-basierten Elektrolyt ermöglicht“, erklärt die MEET Doktorandin. „Durch die Methode konnte für Siliziumnanopartikel-basierte Anoden gezeigt werden, dass die irreversible Volumenausdehnung gerade bei niedrigen C-Raten dominant ist, während die Pulverisation bei hohen C-Raten dominiert. Außerdem konnten wir zeigen, dass das Leitadditive eine entscheidende Rolle bei der Bildung einer homogenen SEI spielt.“
Die komplette Studie haben Dienwiebel und ihre Co-Autoren Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum der WWU sowie Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum, im Fachmagazin „The Journal of Physical Chemistry C“ veröffentlicht.
MEET Poster zur Studie auf internationaler Fachkonferenz ausgezeichnet
Überzeugen konnten die aktuellen Forschungsergebnisse auch auf dem 21st International Meeting on Lithium Batteries (IMLB) in Sydney, Australien: Unter insgesamt 500 Postern erhielt MEET Forscherin Iris Dienwiebel dort für ihre Präsentation das „Highly Commended Poster Certificate“.