Elektrolyte und elektrochemische Methoden

Wir entwickeln Flüssig- und Polymerelektrolyte für Lithium-Ionen und Post-Li Batterien und untersuchen deren Stabilität und Zersetzungsmechanismen in der Zelle um eine längere Batterielebensdauer und höhere Sicherheit zu erreichen.
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Abb. 1. Degradation von Graphit-Kalium Halbzellen in Abhängigkeit der Elektrolytmischung (oben). 1H-NMR Spektrum eines gealterten, Carbonat-basierten Lösungsmittelgemisch (unten).
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Abb. 2. Ein Polymerelektrolyt nach der Herstellung (oben). Änderung verschiedener Elektrolyteigenschaften in Abhängigkeit des Polymer-Leitsalz-Verhältnisses (unten).

Elektrolyte sind das Bindeglied zwischen Anode und Kathode und für den Austausch von Ladungsträgern zwischen den beiden Elektroden verantwortlich. Die mechanischen und (elektro)chemischen Eigenschaften des Materials bestimmen maßgeblich die Lebensdauer und Sicherheit von Batterien. Die Transporteigenschaften der Ionen im jeweiligen Elektrolytmaterial sind ausschlaggebend für die ionische Leitfähigkeit des Elektrolyten und somit auch der erreichbaren (Ent)Laderaten.

Ziel unserer Forschungsaktivitäten ist es Elektrolyte hinsichtlich dieser Eigenschaften zu verbessern, um nicht nur die Sicherheit der Batterie zu gewährleisten, sondern auch langlebige Materialien zu entwickeln, die hohe Laderaten unterstützen. Bei der Materialcharakterisierung greifen wir hierbei auf eine breite Palette an chemischen und elektrochemischen Analysemethoden zurück.

 

Elektrolyte für Lithium- und Post-Li Batterien

Alterungsprozesse in Batterien sind u.a. auf Zersetzungsreaktionen des Elektrolyten an den Elektrodengrenzflächen zurückzuführen, wenn dessen (elektro)chemisches Stabilitätsfenster unterschritten bzw. überschritten wird. Dies führt zum Verlust von Ladungsträgern, die fortan nicht mehr für die Stromspeicherung zur Verfügung stehen – es kommt zu Kapazitätsverlusten.

Dies ist gerade bei sogenannten Post-Li Technologien von Bedeutung, da bspw. bei Natrium- oder Kalium-Ionen Batterien Zersetzungsmechanismen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche häufig stärker ausgeprägt sind als bei Lithium-Ionen Batterien. Die Lebensdauer dieser Speichertechnologien ist daher bisweilen stark eingeschränkt.

Im Bereich Zelldiagnostik untersuchen wir das Degradationsverhalten von Elektrolytmischungen und Elektrolytadditiven gegenüber unterschiedlichen Elektrodenmaterialien. Neben gängigen elektrochemischen Charakterisierung-verfahren von Zellen und Batterien, untersuchen wir flüssige und feste Zersetzungsprodukte im Elektrolyten oder auf der Elektrodenoberfläche zum Beispiel mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), Photoelektronenspektroskopie (XPS) und elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS). Des Weiteren verwenden wir Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) und calorimetrische Untersuchungsmethoden in Kollaboration mit Arbeitsgruppen im Exzellenzcluster Post-Lithium-Speicherung (POLiS).

Elektrolytentwicklung: Von Flüssig- zu Polymerelektrolyten

Der Schritt von konventionellen Flüssigelektrolyten hin zu Festelektrolyten wird als wichtiger Meilenstein hin zu sichereren Stromspeichern mit potentiell höheren Energiedichten und verbesserter Lebensdauer betrachtet.

Polymer-basierte Festelektrolyte (Polymerelektrolyte) sind in der Lage, genau wie Flüssigkeiten, Leitsalze zu lösen und ermöglichen dadurch auch einen Stofftransport innerhalb der festen Phase. Sie sind eine mögliche Alternative zu flüssigen Elektrolyten, da sich Polymere häufig durch eine niedrigere Reaktivität auch bei großen Spannungsdifferenzen auszeichnen. Gleichzeitig werden durch diesen Ansatz flüchtige, brennbare und toxische Komponenten aus der Batterie entfernt und dadurch die Sicherheit erhöht. Ein Beispiel für die erfolgreiche Integration von Polymerelektrolyten in LIBs ist bspw. der Belloré Bluecar.

Unsere Forschungsaktivitäten konzentrieren sich derzeit vor allem auf Polymerelektrolyte für Kalium-Ionen Batterien. Ziel ist es die ionische Leitfähigkeit der Materialien so weit zu erhöhen, damit eine Nutzung bei Raumtemperatur möglich ist. Gleichzeitig sollen die mechanischen Eigenschaften und die Stabilität des Elektrolyten so verbessert werden, um ein möglichst breites Spannungsfenster nutzbar zu machen.

Bei der Materialcharakterisierung greifen wir auf eine breite Palette gängiger Methoden aus der Polymer- und Elektrochemie zurück, wie z.B. zur Bestimmung rheologischer, thermischer und morphologischer Eigenschaften (z.B. dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)), Infrarotspektroskopie zur Untersuchung von Polymer-Leitsalz-Wechselwirkungen, oder elektrochemische Charakerisierungsmethoden mittels EIS (ionische Leitfähigkeit) oder Voltammetrie (elektrochemische Stabilität). In Zelltests werden die Polymerelektrolyte außerdem direkt auf ihre Eignung als Elektrolyte für Batterieanwendungen geprüft.

Projekte

All-solid potassium batteries – a polymer electrolyte approach (POLiS–Post Lithium Storage Cluster of Excellence)

Nachhaltige Strategien für K-Ionen Batterien (DFG Projekt #448719339)

Lithium recovery and battery-grade materials production from European resources (LiCORNE)

Person
M. Sc. Anna Khudyshkina
Polymerelektrolyte für Feststoff-Kalium-Ionen Batterien

+49 721 608 28506anna khudyshkina does-not-exist.kit edu

Person
M. Sc. Iurii Panasenko
Untersuchungen zur Elektrolytzersetzung in Kalium-Ionen Batterien

+49 721 608 28509iurii panasenko does-not-exist.kit edu


Poly(ethylene oxide)-Based Electrolytes for Solid-State Potassium Metal Batteries with a Prussian Blue Positive Electrode
Khudyshkina, A. D.; Morozova, P. A.; Butzelaar, A. J.; Hoffmann, M.; Wilhelm, M.; Theato, P.; Fedotov, S. S.; Jeschull, F.
2022. ACS Applied Polymer Materials, ArtNr.acsapm.2c00014. doi:10.1021/acsapm.2c00014
Comparing the Solid Electrolyte Interphases on Graphite Electrodes in K and Li Half Cells
Allgayer, F.; Maibach, J.; Jeschull, F.
2022. ACS applied energy materials, 5 (1), 1136–1148. doi:10.1021/acsaem.1c03491
Styrene-Based Poly(ethylene oxide) Side-Chain Block Copolymers as Solid Polymer Electrolytes for High-Voltage Lithium-Metal Batteries
Butzelaar, A. J.; Röring, P.; Mach, T. P.; Hoffmann, M.; Jeschull, F.; Wilhelm, M.; Winter, M.; Brunklaus, G.; Théato, P.
2021. ACS applied materials & interfaces, 13 (33), 39257–39270. doi:10.1021/acsami.1c08841