Höhere Energiedichte für Lithium-Ionen-Batterien

Wissenschaftler:innen vom Helmholtz-Institut Münster und MEET Batterieforschungszentrum eröffnen pragmatische Strategien, wie die Energiedichte in Lithium-Ionen-Batterien für Hochvoltanwendungen erhöht werden kann.

Jülich/Münster, 21. Dezember 2021 – Alternative Batteriesysteme, wie beispielsweise Natrium- und Lithium-Festkörperbatterien, stehen häufig als Hoffnungsträger für hohe Energiedichten im Fokus der medialen Öffentlichkeit. Forscher:innen vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS), einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich, und vom MEET Batterieforschungszentrum Münster zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung, dass das Potenzial der gängigen Lithium-Ionen-Batterie (LIB) jedoch noch nicht ausgeschöpft ist. Elektrochemische Experimente verdeutlichen, dass die Energiedichte weiter erhöht werden kann, indem Fehlerkaskaden besser kontrolliert werden. Die Studie ist in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces erschienen.

Theoretisch lässt sich mit den heute genutzten Materialien die Energiedichte der LIB mittels Anhebung der Ladeschlussspannung weiter signifikant erhöhen. Praktisch scheitert das bisher an der stark verkürzten Lebensdauer der Batterie. Demnach muss momentan ein Kompromiss zwischen Energiedichte und Lebensdauer eingegangen werden, sodass beide Eigenschaften sinnvoll miteinander vereint werden können.

Das Team um Dr. Johannes Kasnatscheew vom HI MS, Dr. Tobias Placke und Sven Klein, beide vom MEET Batterieforschungszentrum, stellt nun die Relevanz von unscheinbaren und in der Forschung oft übersehenen Parametern, beispielsweise elektrochemischen und Elektroden-Prozessierungs-Parametern, heraus. Die Fehlerkaskade "Electrode crosstalk" bei der Hochvoltanwendung stellt einen komplexen Prozess dar, in dem die kleinsten Unterschiede im Material und Ladeprotokoll zu irreführenden Beobachtungen in der Batteriezelle führen können und somit deren Weiterentwicklung erschweren. "Electrode crosstalk" beschreibt die unerwünschte Interaktion der Elektroden, in dem Fall die Metallwanderung von der Kathode zur Anode.

Kasnatscheew erklärt den neuen Lösungsansatz: "Aus der Identifikation der Parameter lassen sich recht pragmatische Strategien ableiten. Zum Beispiel lässt sich der Effekt der relativ aufwendigen und teuren Kathoden-Beschichtungen schon durch eine einfache und schnelle Änderung des Ladeprotokolls im ersten Zyklus erzielen – und das ohne jeglichen Aufpreis." Sein Kollege Sven Klein vom MEET ergänzt: "Auch die Art der Anoden-Prozessierung kann beeinflussen, ob und wie schnell die Zelle unter Hochspannung kurzschließt und ausfällt." Dieses Wissen wird die zukünftige systematische Forschung und die Entwicklung energiedichterer LIB erleichtern.

Originalpublikation:
Sven Klein, Peer Bärmann, Lukas Stolz, Kristina Borzutzki, Jan-Patrick Schmiegel, Markus Börner, Martin Winter, Tobias Placke, and Johannes Kasnatscheew: Demonstrating Apparently Inconspicuous but Sensitive Impacts on the Rollover Failure of Lithium-Ion Batteries at a High Voltage. ACS Applied Materials & Interfaces 2021 13 (48), 57241-57251
DOI: 10.1021/acsami.1c17408

Weitere Informationen:
Helmholtz-Institut Münster: Ionenleitung in der Energiespeicherung (IEK-12)

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