Das Forschungsvorhaben „InSEIde – Künstliche SEI: Grenzflächen in Lithium-Ionen-Batterien verstehen und manipulieren“ beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Entwicklung und Optimierung von elektrochemischen Energiespeichermaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Es werden neue Anodenmaterialien auf Basis von Silizium-Kohlenstoff-Kompositen sowie künstliche Elektrodenschutzschichten entwickelt.

Eine Herausforderung in Bezug auf die Anwendung von Si/C-Kompositen als negatives Elektrodenmaterial liegt an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt: Dort bildet sich aus einer Nebenreaktion mit dem Elektrolyten die so genannte Solid Elektrolyte Interphase (SEI), was mit hohen irreversible Kapazitätsverlusten verbunden ist. Andererseits schützt die SEI die Elektrode vor weiterer Degradation und Verbrauch von Elektrolyten.

Die zugrundeliegenden Prozesse bei der SEI-Bildung sowie während des Betriebs einer Batterie sind überaus komplex. Daher werden mithilfe von zukunftsweisenden Ober- und Grenzflächencharakterisierungsmethoden die Chemie und Funktionalität der Grenzflächen und Grenzphasen in Energiespeichersystemen untersucht, um die Hauptmerkmale zu identifizieren und somit künstliche SEI-Schichten erkenntnisbasiert entwickeln zu können.

Durch die Optimierung der Komposit-Zusammensetzung und die Modifikation der Elektrodenoberfläche mit Hilfe einer künstlichen SEI, werden die Si/C-Komposite zu einer zukunftsweisenden Alternative zu kommerziellen negativen Elektrodenmaterialien weiterentwickelt. 

Die abgeschlossene Forschungsgruppe: Grenzflächendesign für elektrochemische Energiespeicher

Grenzflächen und Grenzphasen spielen in wieder aufladbaren Batterien wie Lithium-Ionenbatterien eine entscheidende Rolle, da sie unter anderem Eigenschaften wie Stabilität, Reversibilität und Sicherheit der Batterie beeinflussen. Eine besonders wichtige Zwischenschicht ist dabei die Solid Electrolyte Interphase (SEI). Die SEI bildet sich während des Betriebs der Batterie an der Oberfläche der negativen Elektrode aus Elektrolytzersetzungsprodukten. Diese Reaktionen sind mit unumkehrbaren Kapazitätsverlusten verbunden, da die Ladung, die während der Elektrolytzersetzung verbraucht wird, nicht wieder zurückgewonnen werden kann. Im idealen Fall hat die SEI allerdings eine passivierende Schutzfunktion und verhindert so die weitere Zersetzung des Elektrolyten.

Maßgeschneiderte Elektrodenschutzschichten

Im Zentrum unserer Forschungsaktivitäten steht daher, die SEI-Bildung im Detail zu verstehen, um mit diesem Wissen maßgeschneiderte Elektrodenschutzschichten für die nächste Generation von elektrochemischen Energiespeichersystemen zu entwickeln. Da die SEI selbst nur etwa 20-30 nm dick ist, verwenden wir modernste Ober- und Grenzflächenmethoden, um die SEI-Bildung und ihr Verhalten während des Betriebs einer Batterie zu verfolgen. 

Neben elektrochemischen Methoden stehen hierfür am IAM-ESS Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (TOF-SIMS) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) zur Verfügung (Ober- und Grenzflächenanalytik). Zudem sind wir auch an der Entwicklung von neunen in-situ Charakterisierungsmethoden wie Ambient Pressure Photoelektronenspektroskopie (AP-PES) beteiligt.

Projekt InSEIde

Im Rahmen des Projekts „InSEIde“ wird dieser Ansatz auf die Weiterentwicklung von Silizum/Kohlenstoff (Si/C)-Kompositen angewendet. Diese Materialklasse kann Graphit, das derzeit in kommerziellen Li-Ionenbatterien verwendet wird, als negatives Elektrodenmaterial ersetzten. Mit dem Übergang zu Si/C-Elektroden kann die Performance der Batterien erhöht werden, da Silizium in der Lage ist, etwa zehn Mal mehr Ladung zu speichern als Graphit. 

Diese hohe Speicherfähigkeit bring jedoch neue Herausforderungen mit sich, insbesondere an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche. Große Volumenveränderungen des Elektrodenmaterials beanspruchen die SEI mechanisch und die SEI kann während dem Langzeitbetrieb der Batterie aufbrechen. Dadurch kommt neue Elektrodenoberfläche in direkten Kontakt mit dem Elektrolyten, was zu weiterer SEI-Bildung und Kapazitätsverlusten führt. Um daher das Potenzial der Si/C-Komposite voll ausschöpfen zu können, müssen wir stabile und flexible Elektrodenschutzschichten für diese Materialklasse entwickeln.