Prä-Lithiierungsadditiv für Kathoden verlängert Batteriezellenlebensdauer
Für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien (LIB) gilt Silizium (Si) aufgrund seiner hohen Kapazität als vielversprechendes Elektrodenmaterial. Bislang kommt es während des Batteriebetriebs jedoch zu massiven Volumenänderungen innerhalb der Zelle, die zu Verlust von aktivem Lithium, Einbußen in der Kapazität und schließlich zum Zelltod führen. In einer aktuellen Studie konnte ein Team aus Wissenschaftler*innen des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, der Internationalen Forschungsschule BACCARA und des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich nachweisen, dass Lithiumquadrat (Li2C4O4) als Prä-Lithiierungsadditiv in der Kathode die Lebensdauer von Batteriezellen, deren Anoden auf Silizium basieren, verlängert. Gleichzeitig identifizierten die Forschenden Herausforderungen des Additivs, die es durch anschließende Forschung zu lösen gilt. Die umfassende Untersuchung liefert wichtige Grundlagen auf dem weiteren Weg zur Kommerzialisierung der vielversprechenden siliziumbasierten Lithium-Ionen-Batterien.
Einsatz von Prä-Lithiierungsadditiven ohne zusätzlichen Produktionsschritt möglich
Die Prä-Lithiierung mit Hilfe von positiven Elektrodenadditiven hat sich als eine der geeignetsten Skalierungsstrategien erwiesen, um Lithiumverluste in Lithium-Ionen-Batterien mit siliziumbasierten Anoden auszugleichen. Im Gegensatz zu vielen anderen Prä-Lithiierungsverfahren, die mit hoher Reaktivität und schlechter Homogenität zu kämpfen haben, können Prä-Lithiierungsadditive bereits während der Verarbeitung der Kathodenpaste hinzugefügt werden. Ein zusätzlicher Produktionsschritt entfällt. Maike Gnutzmann, Promovendin der Internationalen Forschungsschule für Batterie-Chemie, Charakterisierung, Analyse, Recycling und Anwendung (BACCARA) und des MEET Batterieforschungszentrums, erklärt: „Kathodenadditive setzen im ersten Zyklus einen Überschuss an Lithium aus der positiven Elektrode frei, der die Verluste an aktivem Lithium ausgleichen kann. Obwohl bereits mehrere Lithiumverbindungen als Kathodenadditive untersucht wurden, sind die meisten von ihnen in der Umgebungsatmosphäre instabil oder mit den üblichen Kathodenverarbeitungsprotokollen nicht kompatibel."
Li2C4O4 gilt aufgrund seiner Luftstabilität und Kompatibilität mit der industriellen Standardverarbeitung als vielversprechendes Additiv für die Prä-Lithiierung. Die Forschenden konnten zeigen, dass die Zykluslebensdauer von siliziumbasierten Lithium-Ionen-Batterien linear mit dem Additivgehalt in der Kathode verlängert wird. MEET Wissenschaftlerin Dr. Aurora Gomez-Martin sagt: "Dies ist auf den Überschuss an aktivem Lithium zurückzuführen, der durch das Additiv in der ersten Ladung bereitgestellt wird und die Bildung der Solid Electrolyte Interphase-Deckschicht (SEI) auf der Anode kompensieren kann. Darüber hinaus kann das freigesetzte CO2 als Nebenprodukt nach der Zersetzung des Additivs als Elektrolytzusatz für die Anoden-SEI dienen, sowohl während der Formierung als auch während der nachfolgenden Zyklen."
Gleichzeitig identifizierte das Team der Wissenschaftler*innen Herausforderungen für die praktische Anwendung von Li2C4O4 als Kathodenadditiv: Die entstehende Porosität und Gasentwicklung während der Zersetzung des Prä-Lithiierungsadditivs verhindern aktuell noch den Einsatz in praktischen Zellen, sodass weitere Forschung erforderlich ist.
Komplette Studie in "Advanced Science" veröffentlicht
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forschenden Maike Michelle Gnutzmann und Egy Adhitama, MEET Batterieforschungszentrum und Internationale Forschungsschule BACCARA, Dr. Aurora Gomez-Martin, Lars Frankenstein, Bastian Heidrich und Dr. Tobias Placke, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin "Advanced Science" veröffentlicht. Die Arbeit enthält Ergebnisse des Forschungsprojekts "SeNSE", das durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union finanziert wird.