Unerwartete Probleme bei Hybrid-Batterien-Membranen

Bildung einer Zwischenschicht behindert Ionentransfer

Als Folge der Energiewende forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit an leistungsfähigeren Batterien – etwa für den Antrieb von Autos oder für die Zwischenspeicherung von alternativen Energien. Im Fokus stehen dabei unter anderem neuartige hybride Batteriekonzepte, bei denen flüssige Elektrolyte mit Festkörper-Membranen kombiniert werden.

Schematische Darstellung der Passivierungsschicht „solid-/liquid electrolyte interphase“ (kurz „SLEI“). (Grafik: Busche et al. / Nature Chemistry)

Ein Forscherteam um Prof. Dr. Jürgen Janek vom Physikalisch-Chemischen Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) in Zusammenarbeit mit den Firmen BASF SE und Schott AG berichtet nun in der Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ von überraschenden Beobachtungen, die erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit einer hybriden Batterie hätten. Demnach bildet sich an den Grenzflächen von Festelektrolyt-Membranen und flüssigen Elektrolyten eine sogenannte Passivierungsschicht, die den Ionentransfer behindert.

Das grundlegende Bauprinzip von Batterien ist unabhängig von der speziellen „Zellchemie“ immer gleich: Jede Batterie besteht aus zwei Elektroden, die durch einen rein ionenleitenden Elektrolyten getrennt sind. In den heute marktführenden und bereits jetzt sehr leistungsfähigen Lithium-Ionen-Batterien ist der Elektrolyt meist flüssig und besteht aus organischen Lösungsmitteln und einem lithiumhaltigen Leitsalz.

Dieser flüssige Elektrolyt ermöglicht zwar die Funktion der Batterie, er stellt aber oft auch ihre „Achillesferse“ dar. Beim Laden und Entladen einer Batterie können sich Bestandteile der Elektroden im Elektrolyten lösen und zur ungewollten chemischen Wechselwirkung von Anode und Kathode führen. Dies spielt besonders bei der praktischen Umsetzung gänzlich neuer Batteriekonzepte, wie zum Beispiel der Lithium-Schwefel- oder Lithium-Sauerstoff-Batterie ein bisher nur unzureichend gelöstes Problem dar. Aber auch in Lithium-Ionen-Batterien nächster Generationen können derartige chemische „Kurzschlüsse“ zu Stabilitätsproblemen führen.

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Daher werden heute hybride Batteriekonzepte, in denen rein ionenleitende Festkörpermembranen als Diffusionssperre mit Flüssigelektrolyten kombiniert werden, als möglicher Lösungsweg erforscht. Wie die Autoren, zu denen auch Martin Busche, Thomas Drossel, Dr. Thomas Leichtweiß, Dr. Dominik Weber und Prof. Dr. Philipp Adelhelm gehören, beobachteten, bilden die untersuchten Festelektrolyte im Kontakt mit dem flüssigen Elektrolyt eine Art Passivierungsschicht aus.

Durch die Kombination aufwändiger physikalisch-chemischer Analysemethoden konnten sowohl der elektrische Widerstand dieser Schicht ermittelt als auch ihre chemischen Bestandteile identifiziert werden. Diese zeigen Ähnlichkeit zur bekannten „SEI“ („solid electrolyte interphase“), wie sie auf Anoden in konventionellen Lithium-Ionen-Batterien entsteht und diese überhaupt nutzbar macht. Die von den Autoren als „solid-/liquid electrolyte interphase“ – kurz „SLEI“ – bezeichnete Passivierungsschicht ist wegen ihres elektrischen Widerstands nachteilig und hätte einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit einer hybriden Batterie.

Die von der Gießener Forschergruppe vorgestellten Ergebnisse sind Teil einer aktuellen Richtung der Batterieforschung: Durch den teilweisen oder vollständigen Ersatz flüssiger Elektrolyte durch feste Elektrolyte sollen Stabilitätsprobleme neuer Zelltypen gelöst werden oder auch reine Festkörperbatterien mit großer Haltbarkeit entwickelt werden. Die Forschergruppe um Prof. Janek untersucht gemeinsam mit Partnern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Industrie systematisch die bei der Umsetzung von Festelektrolyttechnologien auftretenden Probleme. Hierzu gehören Transportprozesse von (Lithium-)Ionen in Festkörpern und in besonderem Maße Transferprozesse an Grenzflächen.

Die Ergebnisse der publizierten Arbeit wurden im Rahmen des internationalen Forschungsnetzwerks der BASF SE für Elektrochemie und Batterien erarbeitet. In diesem Netzwerk erforschen weltweit acht Arbeitsgruppen in Deutschland, Israel, Kanada, der Schweiz und den USA gemeinsam mit der BASF SE neue Materialien und Zellkonzepte für leistungsfähige elektrochemische Energiespeicher. Prof. Dr. Philipp Adelhelm wurde mittlerweile auf die Professur für Kohlenstoffnanomaterialien an der Universität Jena berufen, Martin Busche ist seit Ende 2015 in der Batterieentwicklung der Robert Bosch GmbH tätig.

Veröffentlichung:
Martin R. Busche, Thomas Drossel, Thomas Leichtweiss, Dominik A. Weber, Mareike Falk, Meike Schneider, Maria-Louisa Reich, Heino Sommer, Philipp Adelhelm and Jürgen Janek: Dynamic formation of a solid-liquid electrolyte interphase and its consequences for hybrid-battery concepts, Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.2470.

Kontakt:
Prof. Dr. Jürgen Janek
Physikalisch-Chemisches Institut
Heinrich-Buff-Ring 17, 35392 Gießen
E-Mail: juergen.janek@phys.Chemie.uni-giessen.de

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