Forschende des Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) unter der Leitung von Professor Noriyoshi Matsumi haben eine Möglichkeit gefunden, den Kapazitätsverlust von Lithium-Ionen-Akkus massiv zu reduzieren. Der Leistungsabfall durch wiederholtes Laden und Entladen zählt zu den großen Sorgen im Bereich der Elektromobilität und bei tragbaren Geräten. Neuere Untersuchungen zeigen zwar, dass es mittlerweile recht lange dauert, bis die kritische Grenze von 80 Prozent erreicht wird, doch der neu entwickelte Zusatz soll die Haltbarkeit der Energiespeicher nochmals deutlich verbessern.
Neuer Elektrolyt-Zusatz steigert Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus
Im Zentrum der im Fachjournal Energy & Fuels veröffentlichten Studie steht die Verbesserung der Schutzschicht, die sich während der ersten Ladezyklen auf der Graphit-Anode bildet. Diese als Solid Electrolyte Interphase (SEI) bekannte Schicht ist für die Lebensdauer der Batterie von entscheidender Bedeutung. Sie ermöglicht die Bewegung von Lithium-Ionen zwischen dem Elektrolyten und der Elektrode, während sie unerwünschte chemische Reaktionen begrenzt. Wird die SEI jedoch instabil, verbraucht sie aktives Lithium, erhöht den elektrischen Widerstand und beschleunigt so den Kapazitätsverlust.
Gezielte Chemie durch neuartige Verbindung FPTI
Um diese Schutzschicht zu stärken, entwickelten die Forschenden eine Verbindung namens Pentafluorophenyl Thiophen Imin, kurz FPTI. Dieser neue Elektrolyt-Zusatz wurde einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Elektrolyten in Konzentrationen von 2 beziehungsweise 4 Milligramm pro Milliliter zugefügt. Die Tests ergaben, dass FPTI in der frühen Zyklisierungsphase bevorzugt reagierte und zu einer stabileren sowie leitfähigeren SEI auf der Graphitoberfläche beitrug.
Bei der höheren Konzentration von 4 mg/ml sank der Widerstand der Schutzschicht von 7.6 Ohm in der Kontrollzelle auf 2.2 Ohm. Der Ladungsübertragungswiderstand verringerte sich von 41.8 auf 19.8 Ohm, während gleichzeitig die Diffusion der Lithium-Ionen zunahm. Laut den Analysen trugen verschiedene Teile des FPTI-Moleküls zu diesen Verbesserungen bei:
- Schwefel- und imindereivierte Verbindungen wurden in die Zwischenphase integriert, um die Leitfähigkeit zu unterstützen.
- Die fluorierte Komponente des Moleküls förderte die Bildung einer lithiumfluoridreichen Schicht, die den Schutzschild zusätzlich stärkt.
Hervorragende Ergebnisse bei Langzeittests und Herausforderungen an der Kathode
Die Leistungssteigerung zeigte sich besonders deutlich bei erweiterten Zyklen. Graphitzellen mit einer Konzentration von 2 mg/ml FPTI behielten nach 1.000 Ladezyklen 89.4 Prozent ihrer Maximalkapazität, während Zellen mit 4 mg/ml sogar 95.6 Prozent ihres Ausgangswerts behielten. Im Vergleich dazu kam die additivfreie Kontrollzelle lediglich auf 62.7 Prozent und zeigte bereits nach etwa 350 Zyklen einen massiven Kapazitätsverlust.
Gelangte FPTI in direkten Kontakt mit einer NMC811-Kathode, führte dies zu einem erhöhten Widerstand und einer verminderten Leistung. Um dieses Problem zu umgehen, verwendeten die Wissenschaftler das FPTI ausschließlich zur Vorbehandlung der Graphitanode, bildeten die verbesserte SEI während des Vorkonditionierens vor und bauten die vollständigen Zellen anschließend mit einem Standardelektrolyten zusammen.
Erhöhte Energiedichte und Ausblick für die Praxis
Dieser gezielte Ansatz zeigte erhebliche Auswirkungen auf die Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterien. Eine mit 4 mg/ml FPTI vorbehandelte Vollzelle erreichte eine Energiedichte von etwa 233 Wh/kg. Die Variante mit 2 mg/kg lag bei rund 192 Wh/kg, während die unbehandelte Kontrollzelle lediglich etwa 130 Wh/kg erreichte.
