Mechanismus und Auswirkungen auf Batteriezellprozesse entschlüsselt

- EN- DE
© Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
© Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Um das vielversprechende Potenzial von Silizium (Si) als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien (LIB) nutzen zu können, gilt es, bestehende Herausforderungen wie Kapazitätsverluste während des Batteriebetriebs zu Überwinden. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums und der Internationalen Forschungsschule BACCARA der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster sowie des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich wies nach, dass die Beschichtung von Silizium-Dünnschichtanoden mit Aluminiumfluorid (AlF3) zu einer Steigerung der Zyklenstabilität führt. Mit ihrer Studie entschlüsselten die Forschenden den Mechanismus und die Auswirkungen von AlF3-Beschichtungen auf Silizium-Dünnschichtanoden und liefern wichtige Grundlagen auf dem weiteren Weg zur Kommerzialisierung der vielversprechenden siliziumbasierten Lithium-Ionen-Batterien.

Aluminiumfluorid-Be­schichtung beeinflusst Grenzfläche

Während der ersten Ladezyklen von Lithium-Ionen-Batterien bildet sich auf der Anode die Solid Electrolyte Interphase. In Si-Anoden kommt es jedoch zu abrupten Volumenänderungen während der Lithiierung/De-Lithiierung. Daher kann die instabile parasitäre Reaktionen an der Si Elektrolyt-Grenzfläche während des Betriebs nicht verhindern und somit auch nicht die kontinuierliche Elektrolytreduktion und den aktiven Lithiumverbrauch. In ihrer aktuellen Studie haben die Forscherinnen und Forscher daher systematisch untersucht, wie AlF3 als Oberflächenbeschichtung die Zusammensetzung der in Abhängigkeit vom (De-)Lithierungszustand beeinflusst und die Grenzfläche schützt.

"Die Umwandlung von AlF3 in hochgradig Li+-ionenleitende Lithium-Aluminium-Fluor-Phasen (z.B. Li3AlF6) ist für die Leistungssteigerung der Zyklenstabilität verantwortlich. Durch die Umwandlung von AlF3 im ersten Ladezyklus wird eine große Menge an Lithium-Fluor erzeugt, welches die kontinuierliche Zersetzung der verhindert", erklärt Egy Adhitama, Promovend der Internationalen Forschungsschule für Batterie-Chemie, Charakterisierung, Analyse, Recycling und Anwendung (BACCARA) und des MEET Batterieforschungszentrums.

MEET Wissenschaftlerin Dr. Aurora Gomez-Martin ergänzt: "Sobald AlF3 lithiiert ist, besitzt es auch eine relativ hohe Ionenleitfähigkeit. Die beschichteten Si-Dünnschichten weisen eine stabilere und höhere reversible Kapazität von ≈400 mAh g-1 nach 100 Zyklen im Vergleich zu unbeschichteten Si-Dünnschichtzellen auf."

Komplette Studie in Advanced Energy Materials veröffentlicht

Autor*innen der Studie sind die Forschenden Egy Adhitama und Atif Javed, MEET Batterieforschungszentrum und Internationale Forschungsschule BACCARA, Stefan van Wickeren, Lars Frankenstein, Feleke Demelash, Lukas Haneke, Dr. Sascha Nowak, Dr. Aurora Gomez-Martin und Tobias Placke, MEET Batterieforschungszentrum, Dr. Kerstin Neuhaus, Helmholtz-Institut Münster sowie Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster. Die gesamte Studie wurde als Open-Access im Fachmagazin " Advanced Energy Materials " veröffentlicht.