Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Nur eine während ihres ersten Zyklus gebildete Passivierungsschicht ermöglicht ihre Funktion. Diese Festelektrolyt-Grenzschicht bildet sich nicht direkt an der Elektrode, wie Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) durch Simulationen herausgefunden haben. Stattdessen bildet es in Lösung Klumpen. Ihre Forschung wird in der Zeitschrift Advanced Energy Materials vorgestellt. Ihre Ergebnisse werden es ermöglichen, die Leistung und Lebensdauer von Batterien in Zukunft zu optimieren.
Wann immer eine mobile Energiequelle benötigt wird, ob für Elektrofahrzeuge oder Smartphones, erledigt ein Lithium-Ionen-Akku die Aufgabe. Die Festelektrolyt-Zwischenphase ist entscheidend für den zuverlässigen Betrieb dieser und anderer Flüssigelektrolytbatterien (SEI). Durch das anfängliche Anlegen der Spannung bildet sich diese Passivierungsschicht aus. Nahe der Oberfläche zerfällt der Elektrolyt. Da die Dissoziationsreaktion nur wenige Nanometer von der Oberfläche entfernt stattfinden kann, war bisher unklar, wie Partikel in Elektrolyten eine bis zu 100 Nanometer dicke Schicht auf der Elektrodenoberfläche bilden.
Die Passivierungsschicht auf der Anodenoberfläche ist entscheidend für die elektrochemische Kapazität und Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie, da sie bei jedem Ladezyklus erheblichen Belastungen ausgesetzt ist. Da die SEI während dieses Prozesses zusammenbricht, zersetzt sich der Elektrolyt weiter und die Batteriekapazität wird reduziert, was die Lebensdauer der Batterie verkürzt. Die Eigenschaften einer Batterie können mit einem angemessenen Verständnis der Entwicklung und Zusammensetzung des SEI verwaltet werden. Jedoch war keine experimentelle oder computergestützte Methode erfolgreich bei der Lösung der komplexen Wachstumsprozesse von SEI in einem sehr großen Maßstab und in mehreren Dimensionen.
Forschern des KIT-Instituts für Nanotechnologie (INT) ist es nun gelungen, die Entstehung von SEI mit einem Multiskalen-Ansatz zu charakterisieren. Professor Wolfgang Wenzel, Leiter der Forschungsgruppe „Multiscale Materials Modeling and Virtual Design“ am INT, beteiligt an der groß angelegten europäischen Forschungsinitiative BATTERY 2030+ mit dem Ziel, sichere, bezahlbare, langlebige und nachhaltige Hochleistungsbatterien zu entwickeln "Es löst eines der großen Rätsel um einen wesentlichen Bestandteil aller Flüssigelektrolytbatterien, insbesondere der Lithium-Ionen-Batterien, die wir täglich verwenden."
Es wurden etwa 50.000 Simulationen für verschiedene Reaktionszustände durchgeführt.
Forscher des INT haben eine Sammlung von mehr als 50.000 Simulationen erstellt, die verschiedene Reaktionsszenarien darstellen, um die Zusammensetzung und Entwicklung der Passivierungsschicht in der Anode von Flüssigelektrolytbatterien zu untersuchen. Sie entdeckten, dass organische SEI durch einen lösungsvermittelten Mechanismus wächst. Direkt hergestellte SEI-Vorläufer müssen zuerst einen Keimbildungsschritt durchlaufen, bevor sie sich von der Elektrodenoberfläche wegkoaleszieren. Durch die anschließende schnelle Keimbildung überzieht nach und nach eine poröse Schicht die Elektrodenoberfläche.
Das paradoxe Szenario, dass sich SEI-Komponenten nur in der Nähe der Oberfläche bilden können, wo Elektronen vorhanden sind, aber aufhören zu wachsen, sobald dieser begrenzte Bereich bedeckt ist, wurde durch unsere Entdeckungen gelöst. Ein Postdoktorand am INT und einer der Autoren der Studie, Dr. Saibal Jana erklärt: „Wir konnten die wichtigsten Reaktionsparameter identifizieren, die die SEI-Dicke bestimmen.
„So lassen sich zukünftig Elektrolyte und geeignete Chemikalien herstellen, die die Eigenschaften von SEI regulieren und die Leistung und Lebensdauer von Batterien erhöhen.“
Quelle: techxplore.com/news
📩 21/03/2023 10:20