Innovatives Prä-Lithiierungsverfahren für Siliziumanoden entwickelt
Silizium (Si) gilt als vielversprechendes Anodenmaterial, um die gängige Graphitanode zu ersetzen und so die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) signifikant zu erhöhen. Während des Batteriebetriebs mit Si-Anoden kommt es jedoch zu Volumenexpansionen innerhalb der Zelle, was den Verlust von Aktivmaterial zur Folge hat, und die hochreaktive Silizium-Oberfläche kontinuierlich dem Elektrolyten aussetzt. Der daraus entstehende Verlust von aktivem Lithium kann zu einem schnellen Versagen der Batteriezelle führen. Um dies zu vermeiden, haben Wissenschaftler*innen des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster ein neues Verfahren für die Prä-Lithiierung entwickelt, welches die thermische Bedampfung reiner Si-Anoden mit Lithium-Metall vorsieht. Anstatt sich mit der unvermeidlichen Volumenausdehnung zu befassen, zielt die Prä-Lithiierung darauf ab, die aktiven Lithiumverluste zu kompensieren.
Präzise Steuerung des Grads der Prä-Lithiierung und der Lithiummetall-Abscheidung
Um Siliziumanoden praktisch anwenden zu können, haben Forschende bereits unterschiedliche Strategien entwickelt, etwa ein fortschrittliches Design der Si-Partikel oder verbesserte Elektroden durch neuartige Bindemittel. Die Volumenausdehnungen innerhalb der Zelle bleiben jedoch unvermeidbar. „Ein attraktiver Ansatz ist daher die Prä-Lithiierung, bei der wir uns darauf konzentrieren, den Lithiumverlust auszugleichen. Bei dieser Technik wird vor dem Betrieb der Batteriezelle eine bestimmte Menge an aktivem Lithium in der Elektrode gespeichert“, erklärt Egy Adhitama, Promovend der Internationalen Forschungsschule für Batterie-Chemie, Charakterisierung, Analyse, Recycling und Anwendung (BACCARA) und des MEET Batterieforschungszentrums. Die thermische Bedampfung mit Lithium-Metall ermöglicht es, sowohl den Grad der Prä-Lithiierung als auch die homogene Lithiummetall-Abscheidung an der Elektrodenoberfläche präzise zu steuern. Indem der Grad der Prä-Lithiierung während der Untersuchung variiert wurde, konnten die Wissenschaftler*innen den Einfluss des aufgedampften Lithiums genau bestimmen.
Zudem hat das Forschungsteam den Einfluss des konventionell flüssigen Elektrolyten auf Karbonatbasis auf den Reaktionsmechanismus der Prä-Lithiierung untersucht. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde der Prozess im trockenen (ohne Elektrolyt) und nassen Zustand (mit Elektrolyt) neu diskutiert. Mithilfe einer elektrochemischen Charakterisierung validierten die Wissenschaftler*innen abschließend den aktiven Lithiumverlust. MEET Wissenschaftlerin Dr. Aurora Gomez-Martin sagt: „Unser Ansatz überwindet die Einschränkungen bisheriger Techniken und stellt so einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu Si-basierten LIB Zellen mit hoher Energiedichte und längerer Zykluslebensdauer dar.“
Komplette Studie frei verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forschenden Egy Adhitama und Atif Javed, MEET Batterieforschungszentrum und Internationale Forschungsschule BACCARA, Dr. Frederico Brandao, Iris Dienwiebel, Marlena Bela, Lukas Haneke, Dr. Marian Stan, Dr. Aurora Gomez-Martin und Dr. Tobias Placke, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht.