Maßgeschneiderte Elektrolytzusätze steigern Batteriezellleistung

Elektrolytadditive auf Phosphazen-Basis stabilisieren siliziumbasierte Lithium-Ionen-Batterien

Silizium (Si) gilt als vielversprechendes Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien (LIB) der nächsten Generation. Seine praktische Anwendung wird bislang durch Herausforderungen wie Kapazitätsverluste während des Batteriebetriebs verhindert. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster entwickelte maßgeschneiderte Elektrolytadditive auf Phosphazen-Basis und steigerte damit die Leistung von siliziumbasierten LIB-Zellen. In ihrer Studie untersuchten die Forschenden zudem die subtilen Wechselwirkungen während des Batteriebetriebs und liefern damit wichtige Grundlagen auf dem Weg zur Kommerzialisierung siliziumbasierter Lithium-Ionen-Batterien.

Die Auswirkungen des Synergieeffekts von FEC und HFPN-Derivaten als additive Verbindungen in einem dual-additiven Elektrolytansatz werden veranschaulicht.

Elektrolyt als Schlüssel für Zelloptimierung

Silizium als Anodenmaterial leidet unter erheblichen Volumenänderungen während des Batteriebetriebs, was zu ständigem Bruch und (Wieder-)Bildung der Solid Electrolyte Interphase (SEI), zum Verbrauch des Elektrolyten und dem Verlust von aktivem Lithium führt. Einbußen in der Kapazität und schließlich der Zelltod sind die Folgen. Die Forschenden um MEET Wissenschaftler Adjmal Ghaur setzen mit ihrer Studie am Elektrolyten an, der eine Schlüsselrolle für die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer eines jeden Energiespeichers einnimmt. Fluorierte zyklische Phosphazenverbindungen wurden als Additive hinsichtlich ihrer SEI-Bildungsfähigkeit untersucht. Adjmal Ghaur erklärt: „Die Einführung des dual-additiven Ansatzes in modernen Elektrolyten führt zu synergistischen Effekten zwischen Fluorethylencarbonat (FEC) und Hexafluorcyclotriphosphazen-Derivaten (HFPN) sowie zu einer verbesserten elektrochemischen Leistung von Silizium-basierten Lithium-Ionen-Batterien (NCM523 || SiOx/C). Die Bildung einer effektiveren SEI und eine erhöhte Elektrolytstabilisierung verbessern die Lebensdauer, verringern insbesondere die Gasbildung und führen zu einer insgesamt niedrigeren Zellimpedanz.“

Studie in Advanced Energy Materials veröffentlicht

Autor*innen der Studie sind die Forschenden Adjmal Ghaur, Christoph Peschel, Iris Dienwiebel, Lukas Haneke, Leilei Du, Laurin Profanter, Dr. Sascha Nowak, Dr. Aurora Gomez-Martin und Dr. Tobias Placke, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich. Die gesamte Studie wurde als Open-Access-Artikel im Fachmagazin „Advanced Energy Materials“ veröffentlicht. Die Arbeit enthält Ergebnisse des Forschungsprojekts „GrEEn“ gefördert vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen.