Verbundvorhaben: Alternative Materialien und Komponenten für aprotische Lithium/Sauerstoff-Batterien: Chemie und Stabilität der Inaktiv-Komponenten (AMaLiS_2); Teilvorhaben: Ex-situ und in-situ Grenzflächenanalytik and Elektroden und Separatoren

Abstract

Wissenschaftlich knüpfte das Vorhaben an die Herausforderung an, dass in Lithium–Sauerstoff-Batterien reaktive Intermediate und Entladeprodukte wie Lithiumperoxid entstehen. Diese können sich nicht nur in der Gasdiffusionselektrode, sondern auch auf inaktiven Komponenten wie dem Separator abscheiden und dadurch dem Ladeprozess teilweise entzogen werden. Gleichzeitig verändert sich die Solid Electrolyte Interphase auf Lithium-Metall-Elektroden lokal und dynamisch während der Zyklisierung. Klassische elektrochemische Messverfahren liefern hierfür überwiegend über die Fläche gemittelte Informationen, während viele Ex-situ-Analysen artefaktanfällig sind. Als wesentliches Ergebnis des Teilprojekts im Verbundvorhaben AMaLiS-2 konnte gezeigt werden, dass Lithiumperoxid mittels Surface-Interrogation-SECM nachweisbar und quantifizierbar ist. Dafür wurde eine neue Messzelle entwickelt und das Zellkonzept so angepasst, dass elektrochemische Nachweise an Testproben möglich wurden. Außerdem wurde ein Verfahren etabliert, mit dem Lithium-Metall-Oberflächen mittels SECM an einer definierten Position abgebildet und anschließend dort mittels XPS chemisch analysiert werden können (identical location-Ansatz). Dadurch lassen sich lokale elektrochemische Eigenschaften direkt mit der Oberflächenchemie vergleichen. Dieses Verfahren wurde angewendet zum Vergleich von SEI, die an Lithium-Metall-Elektroden in unterschiedlichen Elektrolyten eingesetzt wurden. Außerdem konnte das Verfahren für einen Vergleich zwischen der SEI, die nach Eintauchen von Lithium in Batterieelektrolyte entsteht, mit einer SEI im gleichen Elektrolyten nach Zyklisierungsexperimenten eingesetzt werden. Dabei zeigten sich chemische Unterschiede im Gehalt von mehr sauerstoffhaltigen organischen Komponenten und weniger anorganisches Fluorid in der zyklisierten SEI. Lithiumelektroden wurden in verschiedenen Elektrolyten untersucht. Zudem wurde der Einfluss erhöhter Stromdichten nach kurzen Zyklisierungsschritten mittels SECM geprüft.