Rätsel gelöst: Werden Lithium-Ionen-Batterien nun leistungsfähiger und langlebiger?
Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie haben das Rätsel bezüglich Bildung einer Passivierungsschicht an den Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien gelöst. Mit diesem Wissen sollen künftige Batterien leistungsfähiger und langlebiger werden können.
Forschende des KIT haben die Bildung der Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase mit Hilfe von Simulationen charakterisiert.
Foto: KIT (Collage: Christine Heinrich)
Die Lithium-Ionen-Batterie ist das Herzstück eines jeden Elektrofahrzeugs, kommt aber noch in unzähligen anderen Anwendungen zum Einsatz. Beim E-Auto steht sie jedoch immer wieder in der Kritik, insbesondere wegen der geringeren Reichweite gegenüber Verbrennern. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun ein wichtiges Rätsel der Passivierungsschicht gelöst, die sich beim ersten Ladevorgang an den Elektroden der Batterie bildet. Ihre Erkenntnisse sollen es ermöglichen, zukünftige Batterien leistungsfähiger und langlebiger zu machen.
Lithium-Ionen-Batterien für die mobile Energieversorgung
Lithium-Ionen-Akkus kommen hauptsächlich bei mobilen Anwendungen zum Einsatz – wie beispielsweise Mobiltelefone, Tablets, Notebooks oder Akku-Werkzeuge. Die größten Steigerungsraten gibt es aktuell bei der Elektromobilität – also Elektroautos, Hybridfahrzeuge, aber auch Pedelecs. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung erwartete noch 2020, dass die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Zellen bis zum Jahr 2040 um den Faktor 20 bis 40 steigen wird. Auch für feste Anwendungen werden Lithium-Ionen-Akkus zunehmend interessanter – zum Beispiel für Batterie-Speicherkraftwerke.
Mit entscheidend für den zuverlässigen Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien (und anderen Flüssigelektrolyt-Batterien) ist die Grenzphase zwischen Feststoff und Elektrolyt. Der Fachmann spricht hier von „solid electrolyte interphase“ oder kurz SEI. Dabei handelt es sich um die Passivierungsschicht, die beim ersten Anlegen einer Spannung entsteht. Es war bisher unklar, wie genau diese Schicht entsteht, Forschende des KIT haben nun anhand von Simulationen festgestellt, dass diese Grenzphase nicht direkt an der Elektrode entsteht, sondern aus dem Lösungsmittel wächst. Über ihre Studie berichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Zeitschrift Advanced Energy Materials.
Passivierungsschicht entscheidet über Leistungsfähigkeit und Lebensdauer
Die Passivierungsschicht wird bei jedem Lade- und Entladezyklus stark beansprucht, sie ist daher ein entscheidender Faktor bei der elektrochemischen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie. Bricht die SEI dabei auf, zersetzt sich der Elektrolyt weiter, was negativen Einfluss auf die Kapazität der Batterie hat – deren Lebensdauer sinkt.
Es daher von großem Vorteil, alles über das Wachstum und die Zusammensetzung der SEI zu wissen, denn dann lassen sich die Eigenschaften der Batterie gezielt anpassen. Das war bislang nicht möglich, weder mit experimentellen noch mit computergestützten Ansätzen. Forschenden des KIT ist es nun gelungen, die auf ganz unterschiedlichen Größen und Längenskalen ablaufenden komplexen Wachstumsprozesse zu entschlüsseln.
Bildung der SEI mit neuem Ansatz charakterisiert
Mit Hilfe eines ganz neuen Ansatzes, der verschiedenste Kriterien berücksichtigt, haben es Forschende am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT nun geschafft, die Bildung des SEI zu charakterisieren. „Damit haben wir eines der großen Rätsel der wichtigsten Schnittstelle in Flüssigelektrolyt-Batterien gelöst – auch in Lithium-Ionen-Batterien, wie wir alle sie täglich nutzen“, sagt Professor Wolfgang Wenzel, Leiter der Forschungsgruppe „Multiscale Materials Modelling and Virtual Design“ am INT.
Um Wachstum und Zusammensetzung der Passivierungsschicht an der Anode einer Lithium-Ionen-Batterie zu untersuchen, erzeugten die Forschenden einen Satz von mehr als Simulationen. Dabei wurden verschiedene Reaktionsbedingungen simuliert. Es stellte sich heraus, dass die Bildung der organischen SEI auf einem lösungsvermittelten Weg erfolgt:
- Zunächst schließen sich SEI-Vorläufer weit entfernt von der Elektrodenoberfläche über Keimbildung zusammen
- Im zweiten Schritt wachsen die Keime so schnell, dass sich eine poröse Schicht bildet, welche die Elektrodenoberfläche bedeckt
Nach Meinung der Forschenden erkläre dies die paradox anmutende Situation, dass sich die SEI nur in der Nähe der Oberfläche bilden kann, wo Elektronen verfügbar sind. Ohne den beobachteten Mechanismus würde die Passivierungsschicht sofort aufhören zu wachsen, wenn dieser kleine Bereich nahe der Elektrode aufgefüllt ist.
„Wir haben diejenigen Reaktionsparameter identifiziert, die die Dicke der Passivierungsschicht bestimmen“, erklärt Dr. Saibal Jana, Postdoc am INT und einer der Autoren der Studie. „Dies wird es künftig ermöglichen, Elektrolyte und geeignete Zusatzstoffe zu entwickeln, um die Eigenschaften der SEI zu steuern und damit die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterien zu verbessern.“
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