Batterien: Rätsel der Passivierungsschicht gelöst

Lithium-Ionen-Batterien funktionieren nur mit einer Passivierungs­schicht, die sich beim ersten Ladevorgang an den Elektroden bildet. Wie Forscher am Karlsruher Institut für Technologie jetzt anhand von Simula­tionen festgestellt haben, entsteht diese Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase nicht direkt an der Elektrode, sondern wächst aus dem Lösungs­mittel. Diese Erkenntnis ermöglicht es, Leistungs­ähigkeit und Lebensdauer von zukünftigen Batterien zu optimieren.

Bislang war unklar, wie die Bestandteile des Elektro­lyten eine bis zu hundert Nanometer 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 Grenzschicht 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 Grenzschicht lassen sich Batterie­eigen­schaften daher gezielt anpassen. Bisher gelang es allerdings weder mit experi­mentellen noch mit computer­gestützten Ansätzen, diese auf ganz unter­schied­lichen Größen und Längenskalen ablaufenden komplexen Wachstums­prozesse zu entschlüsseln.

Die KIT-Forscher haben es jetzt geschafft, die Bildung der Grenzschicht mit einem multi­skaligen Ansatz zu charakte­risieren. „Damit haben wir eines der großen Rätsel der wichtigsten Schnittstelle in Flüssig­elektrolyt-Batterien gelöst – auch in Lithium-Ionen-Batterien, wie wir alle sie täglich nutzen“, sagt Wolfgang Wenzel vom KIT.

Um das Wachstum und die Zusammen­setzung der Passivierungs­schicht an der Anode von Flüssig­elektrolyt-Batterien zu untersuchen, erzeugten die Forscher einen Satz von mehr als 50.000 Simulationen, die verschiedene Reaktions­bedingungen repräsentieren. Sie stellten fest, dass die Bildung der organischen Grenzschicht auf einem lösungs­vermittelten Weg erfolgt: Zunächst schließen sich Vorläufer, die direkt an der Oberfläche gebildet werden, weit entfernt von der Elektroden­oberfläche über Keimbildung zusammen. Anschließend wachsen die Keime so schnell, dass sich eine poröse Schicht bildet, welche schließlich die Elektroden­oberfläche bedeckt.

Diese Erkenntnis erklärt die paradox anmutende Situation, dass die Grenzschicht sich nur in der Nähe der Oberfläche bilden kann, wo Elektronen verfügbar sind, aber ohne den beobachteten Mechanismus sofort aufhören würde zu wachsen, wenn dieser kleine Bereich nahe der Elektrode aufgefüllt ist.

„Wir haben diejenigen Reaktions­parameter identi­fiziert, die die Dicke der Passivierungs­schicht bestimmen“, erklärt Saibal Jana vom KIT. „Das wird es künftig ermöglichen, Elektrolyte und geeignete Zusatzstoffe zu entwickeln, um die Eigenschaften der Grenzschicht zu steuern und damit die Leistungs­fähigkeit und Lebensdauer der Batterien zu verbessern.“

KIT / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Esmaeilpour et al.: A Solution-Mediated Pathway for the Growth of the Solid Electrolyte Interphase in Lithium-Ion Batteries, Adv. Energy Mat., online 17. Februar 2023; DOI: 10.1002/aenm.202203966
• Multiscale Materials Modelling and Virtual Design (W. Wenzel), Institut für Nanotechnologie, Karlsruher Institut für Technologie