InSEIde – Künstliche SEI: Grenzflächen in Lithium-Ionen-Batterien verstehen und manipulieren
Die Lithium-Ionen-Batterie gehört zu einem der verbreitetsten Energiespeicher und wird in Handys, Laptops und auch bei Hybridfahrzeugen verwendet. Die Menge der in ihr speicherbaren Energie, ihre Kapazität, aber auch ihre Langlebigkeit reichen noch nicht für alle Anwendungen aus. Am Karlsruher Institut für Technologie KIT wird jetzt die Nachwuchsgruppe InSEIde eingerichtet, die Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, deren negative Elektrode aus einem Silizium-Kohlenstoff-Gemisch besteht – sogenannte Si/C-Anoden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert die Gruppe mit 1,84 Millionen Euro.
Beim Aktivieren einer Batterie entsteht an der Si/C-Anode aus den Elektrolyt-Zersetzungsprodukten eine Grenzschicht. Diese Grenzschicht hat zwar unumkehrbare Kapazitätsverluste zur Folge, aber sie schützt auch vor weiterem altersbedingten Kapazitätsverlust und verhindert den fortschreitenden Verbrauch des Elektrolyten. Eine künstliche Schutzschicht kann die Kapazitätsverluste reduzieren, was zu einer längeren Lebensdauer der Batterie beiträgt, sagt Julia Maibach, Leiterin der neu eingerichteten Gruppe am Institut für Angewandte Materialien des KIT. Die Forscherinnen und Forscher wollen die Hauptmerkmale der Grenzschicht identifizieren und so steuern, dass die Kapazität groß und die Lebenszeit lang bleibt.
Das Forschungsvorhaben InSEIde – Künstliche SEI: Grenzflächen in Lithium-Ionen-Batterien verstehen und manipulieren beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Entwicklung und Optimierung von elektrochemischen Energiespeichermaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Es werden neue Anodenmaterialien auf Basis von Silizium-Kohlenstoff-Kompositen sowie künstliche Elektrodenschutzschichten entwickelt. Eine Herausforderung in Bezug auf die Anwendung von Si/C-Kompositen als negatives Elektrodenmaterial liegt an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt: Dort bildet sich aus einer Nebenreaktion mit dem Elektrolyten die so genannte Solid Elektrolyte Interphase (SEI), was mit hohen irreversiblen Kapazitätsverlusten verbunden ist. Andererseits schützt die SEI die Elektrode vor weiterer Degradation und Verbrauch von Elektrolyten.
Die zugrundeliegenden Prozesse bei der SEI-Bildung sowie während des Betriebs einer Batterie sind überaus komplex. Daher werden mithilfe von zukunftsweisenden Ober- und Grenzflächencharakterisierungsmethoden die Chemie und Funktionalität der Grenzflächen und Grenzphasen in Energiespeichersystemen untersucht, um die Hauptmerkmale zu identifizieren und somit künstliche SEI-Schichten erkenntnisbasiert entwickeln zu können. Durch die Optimierung der Kompositzusammensetzung und die Modifikation der Elektrodenoberfläche mit Hilfe einer künstlichen SEI, werden die Si/C-Komposite zu einer zukunftsweisenden Alternative zu kommerziellen negativen Elektrodenmaterialien weiterentwickelt.
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