KEM Konstruktion 04.2023

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Forschende des KIT optimieren Lithium-Ionen-Batterien
Rätsel um Passivierungsschicht gelöst
Forschende des KIT haben die Bildung der Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase
mit Hilfe von Simulationen charakterisiert.
Lithium-Ionen-Batterien funktionieren
nur mit einer Passivierungsschicht, die
sich beim ersten Ladevorgang an den
Elektroden bildet. Wie Forschende am
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
nun anhand von Simulationen festgestellt
haben, entsteht diese Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase
nicht direkt an der Elektrode,
sondern wächst aus dem Lösungs-
Bild: Collage Christine Heinrich
mittel. Die Erkenntnisse der Forschenden
ermöglichen, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer
von zukünftigen Batterien zu
optimieren.
Fast überall, wo mobile Stromversorgung
gefragt ist, werden Lithium-Ionen-Batterien
eingesetzt. Mit entscheidend für den
zuverlässigen Betrieb dieser und anderer
Flüssigelektrolyt-Batterien ist die Fest-
stoff-Elektrolyt-Grenzphase (solid electrolyte
interphase – SEI). Diese Passivierungsschicht
bildet sich beim ersten Anlegen
einer Spannung. Der Elektrolyt wird
in der unmittelbaren Nähe der Oberfläche
zersetzt. Bisher war unklar, wie die Bestandteile
des Elektrolyten eine bis zu
100 nm dicke und stabile Schicht an der
Oberfläche der Elektroden bilden können,
wenn die Zersetzungsreaktion nur innerhalb
weniger Nanometer von der Oberfläche
möglich ist.
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.
(eve)
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