Hohe Überführungszahlen in Lithiummetallbatterien analysiert
Hohe Lithiumüberführungszahlen Polycarbonat-basierender Polymerelektrolyte vermindern die Dendritenbildung und sorgen für eine erhöhte Lebensdauer von Lithiummetallbatterien.
12. April 2023 – Im Vergleich zu herkömmlichen Flüssig-Elektrolyten weisen Polycarbonat-basierende feste Polymerelektrolyte in Lithiummetallbatterien eine höhere Lithiumüberführungszahl mit geringerer Dendritenbildung und somit eine höhere Lebensdauer auf. Die Ursachen hierfür analysieren die Wissenschaftler:innen des Helmholtz-Instituts Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich, des Instituts für Physikalische Chemie der Universität Münster und des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster in ihrer neuen Studie.
Hohe Lithiumüberführungszahlen in Lithiummetall
Das Material Lithiummetall stellt einen Hoffnungsträger für das Erreichen einer hohen Energiedichte von Batteriezellen dar, zum Beispiel im Einsatz in mobilen Anwendungen. Für eine langlebige Lithiummetallbatterie ist eine hohe Lithiumüberführungszahl notwendig, um ein frühzeitiges Ausbilden von Lithiumdendriten und einen damit verbundenen Kurzschluss der Zelle zu unterdrücken.
In ihrem Kooperationsprojekt ging das Team rund um Dr. Mariano Grünebaum vom Helmholtz-Institut Münster und Prof. Dr. Andreas Heuer vom Helmholtz-Institut Münster und dem Institut für Physikalische Chemie der Universität Münster nun der zentralen Frage nach, warum Polycarbonat-basierende Polymerelektrolyte, konkret Polyethylencarbonat (PEC) und Polypropylencarbonat (PPC), eine im Vergleich zu anderen kommerziell eingesetzten Systemen, beispielsweise Polyethylenoxid-basierend (PEO), viel höhere Lithiumüberführungszahlen aufweisen.
Verminderung von Lithiumdendritenbildung
„Es sind zwei Mechanismen denkbar,“ erklärt Grünebaum. „Zum einen eine partielle Entkopplung der Lithiumionenbeweglichkeit von der langsameren Polymerkettenkinetik, zum anderen eine signifikante, größenabhängige Verlangsamung der Anionen durch die Polymermatrix.“ Die Erkenntnisse helfen dabei, die günstigen Ionentransporteigenschaften von PEC und PPC in Zukunft auf andere vielversprechende Polymerelektrolyte zu übertragen und diffusionsbedingte Lithiumdendritenbildung stark zu verlangsamen.
Studie in Physical Chemistry Chemical Physics verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forscher:innen Dr. Anna Gerlitz, Dr. Diddo Diddens, Dr. Mariano Grünebaum, Prof. Dr. Hans-Dieter Wiemhöfer, Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich, Prof. Dr. Andreas Heuer, Helmholtz-Institut Münster und Institut für Physikalische Chemie der Universität Münster, und Prof. Dr. Martin Winter, Helmholtz-Institut Münster und MEET Batterieforschungszentrum, als Open-Access-Artikel im Fachmagazin in Physical Chemistry Chemical Physics veröffentlicht.