Spektroelektrochemie an Grenzflächen

Überblick

Der Wandel von konventionellen zu wiederaufladbaren Lithiumbatterien der nächsten Generation umfasst nicht nur die Entwicklung und Modifizierung von Elektrodenstrukturen und Elektrolytformulierungen, sondern auch die Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, an der sich die Reaktion von Elektroden und Elektrolyten, die so genannte „Interphase“ bildet. Die Instabilität herkömmlicher Elektrolyte gegenüber Anode und Kathode bei hohen Betriebsspannungen führt zur Bildung einer „Solid Electrolyte Interphase (SEI)“ an der Anode und einer Cathode Electrolyte Interphase (CEI) wobei aktives Lithium und Elektrolyzersetzungsprodukte gebildet werden.

Die Nachwuchsgruppe „Interfacial Spectroelectrochemistry Group“ (ISEG) des Helmholtz-Instituts Münster (HI MS) konzentriert sich auf die Entwicklung geeigneter Interphasen durch In-vivo- und In-vitro-Ansätze zur Verbesserung der chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften von SEI und CEI. Um die Oberflächenphänomene auf molekularer Ebene in wiederaufladbaren Lithiumbatterien besser zu verstehen, werden In-situ-Nahfeld-Vibrationsspektroskopietechniken eingesetzt.

Maßgeschneiderte Elektrolytformulierung

Eine robuste SEI oder CEI kann die Leistung, Zyklisierbarkeit und Sicherheit einer wiederaufladbaren Lithiumbatterie erheblich beeinflussen, indem sie die kontinuierliche Zersetzung des Elektrolyten unterbindet.

Herkömmliche Elektrolyte auf Carbonat-Basis versagen je nach Betriebsbedingungen bei der Bildung einer optimalen Interphase bei Elektrodenmaterialien für wiederaufladbare Lithiumbatterien der nächsten Generation, wie zum Beispiel Anodenmaterialien auf Silizium-Basis und Kathodenmaterialien auf Nickel-Basis.

Um die Auswirkungen von Nebenreaktionen zu verringern und die Eigenschaften von Interphasen zu optimieren, wird die Entwicklung und Einbindung molekularer Additive als eine wesentliche Strategie angesehen. Im Rahmen der ISEG entwickelt das HI MS neue Elektrolytformulierungen durch Zugabe kleiner Mengen molekularer Additive als effizienten Ansatz zur Verbesserung der Interphaseneigenschaften in herkömmlichen und Hochvoltbatteriesystemen der nächsten Generation.

Modifizierung der Elektrodenoberfläche

Eine stabile Interphase kann künstlich kreiert werden, indem die Elektrodenoberfläche vor dem Zellbau mit organischen und anorganischen Materialien behandelt wird (In-vitro-Ansatz). Das Design einer künstlichen Interphase erlaubt eine höhere Flexibiltät, um spezifische Eigenschaften wie die chemische Zusammensetzung, Ionen-Transport, Stabilität und Elastizität zu berücksichtigen und anzupassen.

In der ISEG werden molekulare Systeme mit passenden Ankergruppen verwendet, um eine maßgeschneiderte, künstliche SEI oder CEI zu erzeugen. Grundlegende molekulare Ladungstransport- und elektrochemische Techniken werden eingesetzt, um eine Vorauswahl der besten molekularen Systeme zu treffen und ihre Funktionalität als Interphasen zu überwachen (siehe „Ladungstransport an der Grenzfläche“).

In-Situ-Vibrationsspektroskopie

Trotz intensiver wissenschaftlicher Bemühungen ist ein genaues Verständnis und eine Modellbeschreibung der Interphasenprozesse noch nicht verfügbar. Dies liegt vor allem an Hürden in der Entwicklung von In-situ- / Operando-Techniken, die ein mechanistisches Verständnis der Bildung, des Abbaus und der Alterung der Zwischenphasen in LBBs in Echtzeit ermöglichen.

Mithilfe der In-situ- / Operando-Vibrationsspektroskopietechniken können unbekannte molekulare Spezies der Komponenten, aus denen die Interphasen bestehen, nachgewiesen und die jeweiligen Eigenschaften der Oberflächenadsorbate ermittelt werden. Die ISEG ist bestrebt, fortschrittliche In-situ- / Operando-Raman- und IR-Spektroskopietechniken zu entwickeln, um die in der Interphasenschicht ablaufenden Prozesse zu untersuchen.

Ladungstransport an der Grenzfläche

Das Tunneln oder Springen von Elektronen an der Interphase führt zur Zersetzung von Elektrolytkomponenten und zu einem kontinuierlichen Wachstum der Interphase. Durch die Beobachtung des elektronischen Ladungstransfers einzelner molekularer Systeme kann daher die Verwendung verschiedener molekularer Systeme als einer der Schlüsselfaktoren zur Bestimmung der elektrochemischen Leistung einer Batterie eingeschätzt werden.

In Zusammenarbeit mit anderen Gruppen setzt ISEG molekulare Ladungstransporttechniken in Kombination mit Elektrochemie ein, um die Gesamtleistung der Batterie mit den zugrundeliegenden Elektronentransfereigenschaften in der Interphase zu korrelieren.