Prä-Lithiierung ermöglicht praktische Anwendung von negativen Konversionselektroden in Lithium-Ionen-Batterien

Übergangsmetalloxide wie Magnetit (Fe₃O₄) sind alternative negative Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien, da sie im Vergleich zu dem gängig eingesetzten Graphit eine höhere Anfangskapazität aufweisen. Ein zusätzliches Graphenoxid-Netzwerk verbessert die Leitfähigkeit und verhindert die Auflösung des Übergangsmetalls sowie die Pulverisierung des Magnetits aus der Elektrode. Es reicht jedoch nicht aus, um die Elektroden in die Anwendung überführen zu können, da der Lithiumgehalt begrenzt ist. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt haben Wissenschaftler*innen des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich und des Sabanci University Nanotechnology Application Center (SUNUM) untersucht, wie die elektrochemische Prä-Lithiierung zu einer stabilen Solid Electrolyte Interphase (SEI) auf der Oberfläche des Materials führt. So wird der aktive Lithium-Verluste verhindert, auch in Verbindung mit der positiven Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA)-Elektrode mit hoher Energiedichte. 

Erhöhte Zyklenzahl durch Passivierung der Elektroden

Das negative Elektrodenmaterial besteht aus ultrafeinen Fe₃O₄-Nanopartikeln, die durch ein dreidimensionales Graphenoxid-Netzwerk verbunden sind. Die elektrochemische Prä-Lithiierung ermöglicht eine gleichmäßige Lithiierung des komplexen Elektrodenmaterials. MEET Forscherin Dr. Aurora Gomez-Martin erklärt: „Die Technik erlaubt es uns außerdem, den Prä-Lithiierungsgrad der negativen Elektrode zu kontrollieren, sodass sich vor der Zyklisierung eine homogene SEI bildet. Diese verhindert, dass Risse entstehen und hilft bei der Passivierung der NCA-Elektroden, was zu einer längeren Lebensdauer führt.“ Dr. Buse Bulut Köpüklü vom SUNUM, die ein achtmonatiges Praxissemester am MEET Batterieforschungszentrum absolvierte und nun bei E-Lyte Innovations arbeitet, ergänzt: „Die Entwicklung des Innenwiderstands der prälithiierten Zellen ist aufgrund der geringeren Zersetzung des Elektrolyten an den Elektrodenoberflächen weniger ausgeprägt.“ Parasitäre Reaktionen, die den aktiven Lithium-Verlust zur Folge haben, werden dadurch deutlich reduziert. Diese stellten bisher ein großes Hindernis bei der praktischen Umsetzung von negativen Konversionselektroden in Vollzellen dar.

Ekin Esen, Wissenschaftler am Helmholtz-Institut Münster, resümiert: „Die Studie zeigt zum ersten Mal die Anwendbarkeit der elektrochemischen Prä-Lithiierung als einfache und effektive Methode, um negative Elektrodenmaterialien des untersuchten Konversionstyps in Lithium-Ionen-Batterien zu nutzen.“

Komplette Studie im Fachmagazin „ACS Applied Materials and Interfaces“ veröffentlicht

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben Dr. Aurora Gomez-Martin, Dr. Tobias Placke, Dr. Richard Schmuch, MEET Batterieforschungszentrum, Ekin Esen, Helmholtz-Institut Münster, Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, Dr. Buse Bulut Köpüklü, Prof. Dr. Selmiye Alkan Gürsel und Assoc. Prof. Dr. Alp Yürüm, Sabanci University Nanotechnology Application Center, Istanbul, in der Fachzeitschrift „ACS Applied Materials and Interfaces“ veröffentlicht.