Oxidationsstufen in Batterien bestimmen

Wie kann die Lithium-Ionen-Batterie weiter verbessert werden? Wissenschaftler vom Münster Electro­chemical Energy Technology (MEET) der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) entwickelten dafür neue Verfahren für die Kapillar­elektro­phorese. Diese ermöglichen erstmals eine detaillierte Analyse der Übergangs­metall­auflösung in Lithium-Ionen-Batterien.

Die Auflösung von Übergangs­metallen im Elektrolyten führt zu Kapazitäts­verlusten und verkürzt so die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterien. Bisher gab es keine geeignete Methode, um die Oxidations­stufen mehrerer gelöster Übergangs­metalle aus Kathoden­materialien oder Strom­sammlern solcher Batterien – wie zum Beispiel Kupfer oder Mangan – gleichzeitig bestimmen zu können. Hinzu kommt, dass deren Analyse ein noch junges Forschungs­gebiet ist.

„Bis dato wurde häufig nur der Gesamtgehalt an gelösten Übergangs­metallen im Elektrolyten untersucht. Dadurch gingen wichtige Informationen verloren, zum Beispiel darüber, in welcher Oxidations­stufe die Übergangs­metalle überhaupt auftreten und welchen Einfluss ein einzelnes von ihnen auf die Performanz der Zelle haben kann“, erklärt MEET-Wissenschaftler Lenard Hanf. Diese Erkenntnisse seien aber fundamental, um langlebigere Lithium-Ionen-Batterien entwickeln zu können. Denn sie bilden die Grundlage, um der Übergangs­metall­auflösung mit pass­genauen Additiven oder Ionen­fängern entgegenwirken zu können und so die Batterien weiter zu optimieren.

Aus diesem Grund haben die Forscher neue Methoden für die Kapillar­elektro­phorese entwickelt. Sie ermöglichen es nun, die Oxidations­stufen mehrerer gelöster Übergangs­metalle gleichzeitig zu bestimmen. Eine der größten Heraus­forderungen war es dabei, die Methodiken so zu entwickeln, dass die zu untersuchenden Proben bei Entnahme und Analyse nicht verändert werden. Denn dadurch würden wichtige Informationen verloren gehen. „Wir haben die teils instabilen und hoch­sensiblen Metalle mit geeigneten Komplex­bildnern stabilisiert“, erklärt Hanf. Anschließend hat das Team die Auflösung verschiedener Kathoden­materialien und kupfer­basierter Strom­sammler im Batterie­elektrolyten unter Anwendung der neuen Methodiken detailliert analysiert.

WWU / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  L. Hanf et al.: Mn²⁺ or Mn³⁺? Investigating transition metal dissolution of manganese species in lithium ion battery electrolytes by capillary electrophoresis, Electrophoresis 41, 697 (2020); DOI: 10.1002/elps.201900443
  L. Hanf et al.: Investigating the oxidation state of Fe from LiFePO_⁴‐based lithium ion battery cathodes via capillary electrophoresis, Electrophoresis, online 18. Juni 2020;
  L. Hanf et al.: Accessing copper oxidation states of dissolved negative electrode current collectors in lithium ion batteries, Electrophoresis, online 8. Juli 2020; DOI: 10.1002/elps.202000155
• Münster Electrochemical Energy Technology, Westfälische Wilhelms-Universität Münster