Für den erfolgreichen Batteriebetrieb unabdingbar und gleichzeitig eine analytische Herausforderung ist die Solid Electrolyte Interphase (SEI), die auf der negativen Elektrode von Lithium-Ionen- wie auch Lithium-Metall-Batterien entsteht und über die Zeit wächst. Ihre Analyse war bislang nur eingeschränkt möglich; Erkenntnisse über ihre Bildung, Zusammensetzung, Wachstum oder Reaktionen unvollständig. MEET Wissenschaftler Dr. Peter Bieker, Jan Frederik Dohmann und Prof. Dr. Martin Winter entwickelten in enger Zusammenarbeit mit Bastian Krueger, Luis Balboa und Prof. Dr. Gunther Wittstock vom Institut für Chemie der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg ein neuartiges Laborzelldesign verbunden mit einer in-situ-Analysemethodik. Dadurch wird eine umfangreiche Analyse der SEI Grenzschicht unter realistischen Bedingungen möglich und das Methodenportfolio der Batterieanalytik entscheidend erweitert.

Solid Electrolyte Interphase als analytische Herausforderung
Die hauchdünne SEI-Schicht bildet sich während des Ladens und Entladens zwischen Anode und Elektrolyt und funktioniert im Idealfall wie eine Art Sieb: Sie leitet gut die Ionen, verhindert aber den Elektronentransport und damit eine kontinuierliche und schädliche Reaktion der negativen Elektrode mit den Elektrolytkomponenten. Damit nimmt sie großen Einfluss auf Performanz und Sicherheit einer Batterie und bietet entsprechende Optimierungsansätze für die Forschung.

In der Analytik birgt die SEI jedoch besondere Herausforderungen: Studien mussten sich bisher entweder auf Post-mortem (Ex situ, also außerhalb der Zelle) Untersuchungen stützen oder konnten nur eine bestimmte Stelle während der simulierten Ladung und Entladung beobachten. „In der Forschung kann durch unterschiedlich präparierte SEIs Einfluss auf die Leistungsfähigkeit einer Batterie genommen werden. Hierfür ist es wichtig zu wissen, wie sich diese in Betrieb, also beim Laden und Entladen, verhalten“, erklärt MEET Forscher Jan Frederik Dohmann.

Neue Methodik ermöglicht Detailblick
Das neu entwickelte Zelldesign ermöglicht es erstmals, Ladungs- und Entladungszyklen unter realistischen Stromdichte- und Spannungsprofilen durchzuführen und gleichzeitig in das Innere der Batterie zu blicken. Die lokale Oberflächenreaktivität erfassten die Wissenschaftler dabei durch rasterelektrochemische Mikroskopie (scanning electrochemical microscopy, SECM). Speziell hierfür entwickelten sie eine hauseigene mikrogefräste Zelle, in die eine winzige SECM-Sonde eingebaut wurde. „Wir können nun die Auswirkungen der Elektrodenvorbehandlung auf das Zyklenverhalten von Lithium-Metallelektroden und die Entwicklung der Stromdichteverteilungen in Verbindung mit den lokalen SEI-Eigenschaften nachvollziehen“, betont MEET Wissenschaftler Dr. Peter Bieker. So konnten die Forscher zeigen, dass die Oberfläche der Elektrode immer ungleichmäßiger reagiert, wenn die Stromdichte erhöht wird. Diese Erkenntnis ist für die Entwicklung weiterer Elektrodenstrukturen von Bedeutung, die eine effektive Diffusion von Lithium-Ionen bei gleichzeitiger exzellenter elektronischer Leitfähigkeit der Elektrode zum Ziel haben.

Die neu entwickelte Methode ist direkt auf andere Elektrodenmaterialien wie Graphit-, Silizium- und Metalloxidelektroden übertragbar. Perspektivisch ist zudem eine Kombination mit Post-mortem bzw. Ex-situ-Analysen möglich, um weitere Erkenntnisse zu generieren.

Detaillierte Informationen zum Aufbau der Studie und zu ihren Ergebnissen wurden als Titelgeschichte in der Fachzeitschrift „ChemElectroChem“ veröffentlicht. Der Open Access Artikel ist auf Englisch verfügbar