Thermische Stabilität von Graphit- und Silizium-basierten Anoden untersucht
Während das thermische Verhalten von Graphit-Anoden bereits vielfach untersucht wurde, lag der Fokus bei Silizium-basierten Anoden bislang vor allem auf der Verbesserung ihrer elektrochemischen Leistungsfähigkeit. Eine aktuelle Studie des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster und LG Energy Solution hat nun systematisch die thermische Stabilität von Elektroden, die als Aktivmaterial ausschließlich Graphit beziehungsweise Silizium enthalten, verglichen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand die Frage, bei welchen Temperaturen exotherme Zersetzungsreaktionen einsetzen und wie stark diese ausfallen. Analysiert wurden dabei sowohl die Wärme- als auch die Gasentwicklung der jeweiligen Anodenmaterialien.
Wärmeentwicklung bei Silizium-Anoden deutlich ausgeprägter
Die Forschenden stellten fest, dass Silizium-basierte Anoden eine deutlich stärkere Wärmeentwicklung zeigen als Graphit-basierte Anoden. Zudem enthalten die bei den Reaktionen entstehenden Gase einen hohen Anteil an Wasserstoff, was einen sicherheitsrelevanten Faktor auf Zelllevel darstellt. „Aufgrund der erhöhten Wärmeentwicklung haben wir bei Zellen mit Silizium-basierten Anoden wesentlich schneller den Punkt einer unkontrollierbaren, selbstverstärkenden chemischen Kettenreaktion, den sogenannten Thermal Runaway, erreicht als bei vergleichbaren Zellen mit Graphit-Anoden“, erläutert MEET Wissenschaftler Lukas Schrief. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei den Zersetzungsreaktionen die gesamte Struktur der lithiierten Siliziumpartikel beteiligt ist. Bei Graphit-Anoden bleibt die Graphitstruktur hingegen erhalten, hier werden die Lithium-Ionen aus der Graphitstruktur deinterkaliert und reagieren mit dem Elektrolyten.“
Aufgrund seiner deutlich höheren spezifischen Kapazität gilt Silizium als vielversprechendes Anodenmaterial für Hochenergieanwendungen. Gleichzeitig sind die thermischen Eigenschaften und die damit verbundenen Sicherheitsaspekte bislang nur unzureichend erforscht. „Mit unseren Untersuchungen möchten wir ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen schaffen. Langfristig sollen die Erkenntnisse dazu beitragen, Silizium-basierte Elektroden so weiterzuentwickeln, dass ihre thermische Stabilität deutlich verbessert wird“, erläutert Dr. Markus Börner, Leiter des MEET Forschungsbereichs System Zelle, das Ziel der Studie.
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Lukas Schrief, Dr. Lukas Trojahn, Nick Fehlings, Dr. Sascha Nowak und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum, Junyeong Jang, LG Energy Solution, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „EES Batteries“ veröffentlicht.