Ursache für Kapazitätsverlust in Lithium-Metall-Batterien identifiziert
Wie ausgetrocknete Poren den Zelltod beschleunigen
Die lokale Austrocknung von Poren und die Bildung resistiver Zwischenschichten bei kritischen Elektrolytmengen beschleunigen den Zelltod und führen zu Kapazitätsverlust in Lithium-Metall-Batterien.
Die Grafik zeigt dir Schritt für Schritt, warum Lithium-Metall-Batterien Kapazität verlieren: Wenn der Elektrolyt lokal austrocknet, steigt die Stromdichte, es bildet sich moosartiges, inaktives Lithium, und der Widerstand wächst. So verstopft die Oberfläche zunehmend – bis die Zelle trotz vorhandenen Elektrolyten ausfällt. Forschende des Helmholtz-Instituts Münster und des MEET Batterieforschungszentrums konnten diesen Prozess erstmals eindeutig nachweisen.
Advanced Energy and Sustainability Research
Forschende
am Helmholtz-Institut Münster (HI MS) des Forschungszentrums Jülich
und am MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster haben
in einem Kooperationsprojekt grundlegende Erkenntnisse über die
Ursachen des Kapazitätsverlustes in Lithium-Metall-Batterien
gewonnen. Demnach sei der Grund für das frühzeitige Zellversagen
auf das Entstehen einer resistiven Zwischenphase zwischen
Lithiumelektrode und Elektrolyt zurückzuführen, ausgelöst durch
lokale Elektrolyteintrocknung bei geringen Elektrolytmengen in der
Zelle: Es hat sich gezeigt, dass nach dem sogenannten Zelltod im
restlichen Teil der Zelle noch genügend Elektrolyt vorhanden ist und
die Leitfähigkeit noch ausreichend gewährleistet ist.
Lokale
Austrocknung mit großer Wirkung
Die
Studie deutet darauf hin, dass geringe Mengen Elektrolyt in den Poren
der Lithium-Elektrode eintrocknen. Dadurch verkleinert sich die
elektrochemisch aktive Oberfläche, was die lokale Stromdichte
erhöht. Dieser Effekt begünstigt die ungleichmäßige Ablagerung
von moosartigem Lithium (High Surface Area Lithium, HSAL). Die in der
Folge entstehende resistive Zwischenschicht aus inaktiver SEI (Solid
Electrolyte Interphase) und totem Lithium erhöht den Zellwiderstand
drastisch und führt so zum beschleunigten Kapazitätsverlust. Die
Zugabe von frischem Elektrolyt führt folglich nicht zu einer
Wiederherstellung der Kapazität, der Austausch der Lithiumelektrode
jedoch schon.
Während
das Eintrocknen des Elektrolyten und die Ausbildung trockener Poren
bereits in der Literatur beschrieben sind, liefert die Studie
erstmals den Nachweis, dass gerade dieser Mechanismus in Kombination
mit HSAL-Bildung und resistiven Interphasen den Zelltod entscheidend
bestimmt – und nicht die Elektrolyterschöpfung selbst.
Damit
eröffnet sich eine neue Perspektive für die gezielte Entwicklung
von Elektrolytlösungen für Lithium-Metall-Batterien. Ziel ist ein
optimales Gleichgewicht zwischen ausreichender Lithiumpassivierung
und einer stabilen Elektrolytmenge, um damit den Kompromiss zwischen
Energiedichte und Lebensdauer künftiger Hochenergiebatterien zu
optimieren.
Warum
Lithium-Metall-Batterien?
Lithium-Metall-Batterien
gelten als vielversprechende Ergänzung zu den heute dominierenden
Lithium-Ionen-Batterien. Die deutlich höheren gravimetrische und
volumetrische Kapazität von Lithium-Metall als Anodenmaterial
ermöglicht leistungsstarke Energiespeicher in kompakter Bauweise.
Ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden
Degradationsmechanismen ist daher entscheidend, um maßgeschneiderte
und langlebige Elektrolytlösungen zu entwickeln.
Die
interdisziplinäre Zusammenarbeit war entscheidend, um die komplexen
Wechselwirkungen in Lithium-Metall-Zellen aufzuklären. Während die
Expertise des MEET Batterieforschungszentrums im Bereich der
Materialien eingebracht wurde, lag der Fokus des Helmholtz-Instituts
Münster auf den Eigenschaften flüssiger Elektrolyte. Gemeinsam
gelang es, die Ursachen des beschleunigten Zelltods zu entschlüsseln.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen sind bereits weitere gemeinsame
Projekte mit dem Ziel geplant, weitere Fehlermechanismen zu
untersuchen und technische Lösungsansätze zu entwickeln.
