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08.03.2023, 11:26 Uhr

Mehr Power: Forschende entschlüsseln Rätsel zur Passivierungsschicht in Batterien

Karlsruhe – In unserem Alltag sind Lithium-Ionen-Batterien mittlerweile allgegenwärtig. Dass sie überhaupt funktionieren, liegt an einer Passivierungsschicht, die sich beim ersten Ladevorgang an den Elektroden bildet. Bisher war der Bildungsprozess dieser Schicht unklar und konnte folglich auch nicht gezielt gesteuert werden. Doch dieses Rätsel ist nun gelöst.

Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) konnten anhand von Simulationen zeigen, wie sich die Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase (solid electrolyte interphase – SEI) bildet und welche Reaktionsparameter die Dicke der Passivierungsschicht bestimmen. Damit ist es in Zukunft möglich, die Eigenschaften der SEI gezielt zu steuern sowie die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterien weiter zu verbessern.

Die Passivierungsschicht: entscheidend für zuverlässigen Batteriebetrieb und Lebensdauer
Vom Smartphone bis zum Elektroauto – fast überall, wo mobile Stromversorgung gefragt ist, werden heute Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Für einen zuverlässigen Betrieb dieser und anderer Flüssigelektrolyt-Batterien ist die Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase (solid electrolyte interphase – SEI) entscheidend.

Die Passivierungsschicht an der Anodenoberfläche bestimmt die elektrochemische Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie wesentlich mit, weil sie in jedem Lade- und Entladezyklus stark beansprucht wird. Bricht die SEI dabei auf, wird der Elektrolyt weiter zersetzt und die Kapazität der Batterie nimmt stetig ab – ein Prozess, der die Lebensdauer der Batterie bestimmt. Mit dem entsprechenden Wissen über Wachstum und Zusammensetzung der SEI lassen sich Batterieeigenschaften gezielt anpassen, so die KIT-Forschenden.

Bisher gelang es allerdings weder mit experimentellen noch mit computergestützten Ansätzen, diese auf ganz unterschiedlichen Größen und Längenskalen ablaufenden komplexen Wachstumsprozesse zu entschlüsseln.

Großes Rätsel zur Bildung der Passivierungsschicht gelöst – Reaktionsparameter identifiziert
Forschende am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT haben es nun geschafft, die SEI-Bildung 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 das Wachstum und die Zusammensetzung der Passivierungsschicht an der Anode zu analysieren, wurden mehr als 50 000 Simulationen generiert, die verschiedene Reaktionsbedingungen repräsentieren.

Im Ergebnis konnte festgestellt werden, dass die Bildung der organischen SEI auf einem lösungsvermittelten Weg erfolgt. In einer ersten Phase schließen sich SEI-Vorläufer, die direkt an der Oberfläche gebildet werden, weit entfernt von der Elektrodenoberfläche über Keimbildung zusammen. Anschließend wachsen die Keime so schnell, dass sich eine poröse Schicht bildet, welche schließlich die Elektrodenoberfläche bedeckt.

Diese Erkenntnis erklärt die paradox wirkende Situation, dass die SEI sich nur in der Nähe der Oberfläche bilden kann, wo Elektronen verfügbar sind, aber ohne den beobachteten Mechanismus sofort aufhören würde 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.“

Quelle: IWR Online
© IWR, 2023


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