Die Passivierungseffizienz der Solid-Electrolyte-Interphase auf Si-Anoden

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Georg Steinrück
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517694212

Die Zersetzung von Elektrolyten führt zu einem Kapazitätsabfall in Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) mit hoher Energiedichte, und ist damit ist ein Hindernis für deren Einsatz. Fortschritte auf diesem Gebiet erfordern ein Verständnis des zeitabhängigen Verhaltens der Elektrolyte in Elektroden-Nähe auf molekularer Ebene. Von besonderer Bedeutung ist dabei die „Solid-Electrolyte-Interphase“ (SEI), eine nanoskalige Grenzflächenschicht auf der Anode von LIBs. Sie besteht aus Elektrolyt-Zersetzungsprodukten und bestimmt die Lebensdauer und Kinetik der Zelle. Die Passivierungseffizienz entspricht der Fähigkeit der SEI, die fortlaufende Zersetzung des Elektrolyten zu verhindern. Sie ist ihre wichtigste Eigenschaft. Trotz ihrer Relevanz gibt es hierzu aber nur wenige Erkenntnisse, da die verschiedenen Ursachen für Kapazitätsverluste experimentell schwierig zu trennen sind. Diese sind (i) begrenzte Passivierungseffizienz, (ii) unkontrolliertes SEI-Wachstum auf neuen, nicht passivierten Oberflächen infolge von SEI-Rissen und/oder Delaminierung beim Atmen der Elektrodenpartikel, und (iii) Deaktivierung des aktiven Materials. Diese Hürde ist bei Legierungsanoden wie Si besonders hoch und stellt ein Hindernis bei der Suche nach zukünftigen Elektrolyten dar. Ziel des vorliegenden Antrags ist es, das Konzept der SEI-Passivierungseffizienz zusammen mit deren experimentellen Quantifizierung als Kriterium für die Performance von Elektrolyten zu nutzen. Die Haupthypothese lautet: Ein grundlegendes Verständnis der Ursachen für hohe Passivierungseffizienz auf molekularer Ebene, das auf Untersuchungen an Modellsystemen beruht, ermöglicht eine maßgeschneiderte Elektrodenpassivierung durch rationelle Elektrolytchemieentwicklung. Um dieses Ziel zu erreichen, wollen wir eine Korrelation zwischen der Elektrolytchemie, der resultierenden SEI-Struktur, -Morphologie und -Zusammensetzung und der Passivierungseffizienz entwickeln. Wir verfolgen unser Ziel mit einem umfassenden Multi-Methoden- und Multi-Eigenschafts-Ansatz. Im Rahmen dieses Ansatzes werden wir systematisch verschiedene Elektrolytklassen mit modernsten experimentellen Methoden in Verbindung mit wohldefinierten Modellsystemen untersuchen. Dazu gehört eine Kombination aus präzisen elektrochemischen Zyklusmessungen und operando-Oberflächen-Röntgenstreuung von amorphen Si-Dünnfilmelektroden. Diese Kombination ermöglicht die Quantifizierung der SEI-Kapazitäten und damit der Passivierungseffizienz. Mehrere komplementäre elektroanalytische und strukturelle Methoden werden die Struktur-Chemie-Eigenschafts-Beziehung aufklären. Auf der Grundlage unserer Erkenntnisse werden wir Konzepte für zukünftige Elektrolyte entwickeln und neue Elektrolytchemien vorschlagen. Wir gehen davon aus, dass unsere Ergebnisse die Suche nach neuen Elektrolyten generell effizienter machen werden, da der Kandidatenpool auf Systeme mit hoher Passivierungseffizienz beschränkt ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen