Weiteren Einflussfaktor auf die Lebensdauer von siliziumbasierten Lithium-Ionen-Batterien ermittelt
Ein Ansatz, um die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien weiter zu erhöhen, ist es, der Grafitanode Silizium als Aktivmaterial beizumischen. Die Volumenänderungen während der Zyklisierung verursachen jedoch Materialstress, der die Lebensdauer der Zellen verkürzt. Lithiumsalze hingegen können als Hauptbestandteil des Elektrolyten die Lebensdauer verlängern. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums, des Instituts für Organische Chemie der Universität Münster sowie des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich hat nun den Einfluss der borhaltigen Lithiumsalze Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB) und Lithiumdifluoro(oxalato)borat (LiDFOB) in siliziumbasierten Lithium-Ionen-Batterien detailliert untersucht.
Solid Electrolyte Interphase und ihre Zersetzungsprodukte erforscht
Zunächst analysierten die Forschenden die Solid Electrolyte Interphase (SEI), die essenzielle Passivierungsschicht auf der Anode, die die kontinuierliche Elektrolytzersetzung verhindert. Während ihrer Ausbildung zersetzen sich die Salze reduktiv, nehmen also Elektronen auf und lagern sich als Zersetzungsprodukte auf der Anodenoberfläche ab. „Wir haben festgestellt, dass die SEI, die durch Bor-Salze entsteht, etwas löslicher im Elektrolyten zu sein scheint und dadurch zur Kathode wandern kann“, sagt MEET Wissenschaftler Dr. Anindityo Arifiadi. In diesem ‚Crosstalk‘ durch die SEI-Zersetzungsprodukte identifizierte das Forschungsteam einen weiteren wichtigen Einflussfaktor auf die Lebensdauer, der durch den Einsatz von LiBOB oder LiDFOB ausgelöst wird. „Wenn diese Produkte zur Kathode gelangen, oxidieren sie und die zuvor aufgenommenen und ‚verloren geglaubten‘ Elektronen können der Zelle zurückgegeben werden. Auf diese Weise können sie wiederverwendet und die Kapazität, die durch ihre vorherige Aufnahme gesunken ist, wiederhergestellt werden“, erläutert Arifiadi.
Für die kommerzielle Anwendung borhaltiger Lithiumsalze ist nun weitere Forschung und Entwicklung erforderlich. Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des Forschungsbereichs Materialien am MEET Batterieforschungszentrum, ordnet ein: „Noch gasen LiBOB und LiDFOB zu stark, um sie in der Praxis einzusetzen. Unsere Ergebnisse über ihre Wirkungsweise sind aber ein wichtiger Schritt, um Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien mit Siliziumanode gezielt weiter zu optimieren.“
Gesamte Studie online verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse haben die Forschenden Dr. Anindityo Arifiadi, Dr. Jaroslav Minar, Linus Voigt, Dr. Dominik Voigt, Marc Vahnstiege, Julius Buchmann, Dr. Feleke Demelash, Dr. Simon Wiemers-Meyer, Dr. Sascha Nowak und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum, Ankita Das und Prof. Dr. Frank Glorius, Institut für Organische Chemie der Universität Münster, Dr. Peng Yan, Helmholtz-Institut Münster sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin „Small Sciene” veröffentlicht.