Untersuchung der Transporteigenschaften sowie der Bildungs- und Wachstumsmechanismen der Festelektrolyt-Interphase (SEI) auf Kohlenstoff-Modellelektroden

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Bund; Professor Dr. Bernhard Roling
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465281402

Die Festelektrolyt-Interphase (engl. SEI = Solid Electrolyte Interphase) spielt eine wichtige Rolle für die Funktion von Lithium-Ionenbatterien. Sie ist eine Passivierungsschicht auf den Graphit-Partikeln der negativen Elektrode, die sich während des ersten Ladevorgangs der Batterie bildet und den Elektrolyten vor weiterer Zersetzung durch das lithiierte Graphit schützt. Nur durch sehr langsame Bildung der SEI während der Batterieproduktion können bisher gute SEI-Eigenschaften erreicht werden, was merklich zu den Produktionskosten von Batterien beiträgt. Weiterhin schränkt die Alterung der SEI bei fortschreitender Zyklisierung die Lebensdauer der Batterie ein. Trotz dieser hohen Bedeutung der SEI für Lithium-Ionenbatterien sind die Transportmechanismen von Li+-Ionen, Molekülen und Elektronen durch die SEI sowie die damit verknüpften Bildungs- und Wachstumsmechanismen der SEI bisher nur wenig verstanden. Eine ideale SEI wäre ein sehr guter Li+-Ionenleiter und würde Moleküle und Elektronen vollständig blockieren. Reale SEI erlauben aber auch langsamen Molekül- und/oder Elektronentransport, was zur SEI-Alterung führt. In diesem Projekt sollen durch die Anwendung sorgfältig ausgewählter komplementärer experimenteller Methoden die Zusammenhänge zwischen SEI-Bildungsbedingungen, der Bildungs- und Wachstumskinetik, den chemisch/morphologischen Eigenschaften, den mechanischen Eigenschaften sowie den Transporteigenschaften der SEI umfassend aufgeklärt werden. Dazu sollen SEIs auf wohldefinierten Glaskohlenstoffelektroden, gesputterten Kohlenstoffelektroden und HOPG-Elektroden (Highly oriented pyrolytic graphite) unter Verwendung von carbonat-basierten Elektrolyten gebildet und charakterisiert werden. Für die SEI-Bildung sollen galvanostatische Protokolle verwendet werden, so dass mittels Variation der Bildungsstromdichte die Struktur und die Eigenschaften der SEIs verändert werden können. Die erzielten Ergebnisse sollen zur Entwicklung verbesserter SEI-Modelle beitragen. Hierzu soll mit einer Arbeitsgruppe im Bereich der multiphysikalischen Modellierung zusammengearbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen