Leitfähigkeit polymerbasierter Elektrolyte in Lithium-Batterien entschlüsselt

Neue Studie zeigt, wie sich Lithium-Ionen in polymerbasierten Elektrolyten bewegen und welche Parameter ihre ionische Leitfähigkeit beeinflussen.

18. Juni 2024 – Die Eigenschwingung langer Molekülketten in polymerbasierten Elektrolyten beeinflusst ihre elektrische Leitfähigkeit in Lithium-Batterien. Die Schwingung wird dabei durch zugesetztes Lithiumsalz und die Umgebungsbedingungen beeinflusst. Das ergibt eine neue Studie der Forscher:innen vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich und der Universität Bielefeld.

Schwingungen der Polymerkette helfen beim Transport von Lithium-Ionen

Der Transport von Lithium-Ionen in Polymerelektrolyten ist für deren ionische Leitungseigenschaft verantwortlich. Das Verständnis der Mechanismen dieses Transports und der Faktoren, die ihn beeinflussen, ist wichtig, um Modifikationen, Verbesserungen und Neuentwicklungen vornehmen zu können.

Mithilfe von Spektroskopie mit Terahertz-Strahlung (der niederfrequenten Seite des fernen Infrarots) zeigt das Team rund um Dr. Masoud Baghernejad vom Helmholtz-Institut Münster und Dr Hassan Hafez von der Universität Bielefeld, dass die Eigenschwingung langer Molekülketten, aus denen Polymere bestehen, die Lithium-Ionen dabei unterstützen, von einer Position zur nächsten zu springen und somit Ionen zu leiten. Das Ionenspringen, und somit die Leitfähigkeit des Elektrolyten, ist umso höher, desto stärker die Schwingungsaktivität der Polymerketten im Elektrolyten. Diese Polymerkettendynamik hängt dabei stark vom Gehalt des zugesetzten Lithiumsalzes und den Umgebungsbedingungen ab.

Untersuchungsmethode

„Für unsere Untersuchungen der Molekülketten hat sich die Terahertz-Spektroskopie bewährt, da keine Berührung mit dem Material stattfindet und somit kein Schaden am Untersuchungsgegenstand verursacht wird“, erklärt Dr. Baghernejad. „Hier haben wir eng mit der Terahertz-Gruppe der Universität Bielefeld zusammengearbeitet, da sie über viel Fachwissen und die entsprechenden Einrichtungen für die Terahertz-Spektroskopie verfügt, die für die Studie erforderlich waren.“

Konventionellen Charakterisierungsmethoden wie die elektrochemische Impedanzspektroskopie bei Kilohertz- und Megahertz-Frequenzen und die Infrarotspektroskopie können nur Informationen über die elektrische Ionenleitfähigkeit und die Qualität des umgebenden Polymers liefern, ohne Einblick in den physikalischen Mechanismus der Ionenleitfähigkeit zu geben. Der mittlere Frequenzbereich, also Terahertz-Frequenzen, und der Ansatz der Terahertz-Spektroskopie können diese Lücke schließen und die fehlenden Informationen liefern.

Studie in Journal of Physical Chemistry C verfügbar

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forscher Dr. Jijeesh Ravi Nair, Dr. Diddo Diddens, Felix Pfeiffer und Dr. Masoud Baghernejad vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich gemeinsam mit Dr. Hassan Hafez, Johanna Weidelt, Dr. Wentao Zhang, Dr. Tomoki Hiraoka, Linda Nesterov und Prof. Dr. Dmitry Turchinovich von der Universität Bielefeld sowie Tiago de Oliveira Schneider und Prof. Dr. Markus Meinert von der Technischen Universität Darmstadt als Open-Access-Artikel im Fachmagazin Journal of Physical Chemistry C veröffentlicht.