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Neue Analysemethoden für langlebigere Lithium-Ionen-Batterien

| Redakteur: Alexander Stark

Wie kann die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) weiter verbessert werden? Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) entwickelten dafür neue Verfahren für die Kapillarelektrophorese.

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Längere Lebensdauer für Batterien: Ein neues, am MEET entwickeltes Verfahren für die Kapillarelektrophorese ermöglicht erstmals eine detaillierte Analyse der Übergangsmetallauflösung in Lithium-Ionen-Batterien.
Längere Lebensdauer für Batterien: Ein neues, am MEET entwickeltes Verfahren für die Kapillarelektrophorese ermöglicht erstmals eine detaillierte Analyse der Übergangsmetallauflösung in Lithium-Ionen-Batterien.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Die Untersuchung gelöster Manganspezies (Mn2+ und Mn3+) in Lithium Ionen Batterien mit der neu entwickelten Methode für die Kapillarelektrophorese hilft, die Auflösungsmechanismen manganhaltiger Kathoden besser zu verstehen.
Die Untersuchung gelöster Manganspezies (Mn2+ und Mn3+) in Lithium Ionen Batterien mit der neu entwickelten Methode für die Kapillarelektrophorese hilft, die Auflösungsmechanismen manganhaltiger Kathoden besser zu verstehen.
(Bild: Wiley-VCH)

Forscher der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster haben neue Verfahren entwickelt, die erstmals eine detaillierte Analyse der Übergangsmetallauflösung in Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen. Das ist von großer Bedeutung, weil die Auflösung von Übergangsmetallen im Elektrolyten zu Kapazitätsverlusten führt und so die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie verkürzt.

Neue Methodik liefert bisher unbekannte Detailergebnisse

Bisher gab es keine geeignete Methode, um die Oxidationsstufen mehrerer gelöster Übergangsmetalle aus Kathodenmaterialien oder Stromsammlern der LIB – wie zum Beispiel Kupfer oder Mangan – gleichzeitig bestimmen zu können. Hinzu kommt, dass deren Analyse ein noch junges Forschungsgebiet ist.

„Bis dato wurde häufig nur der Gesamtgehalt an gelösten Übergangsmetallen im Elektrolyten untersucht. Dadurch gingen wichtige Informationen verloren, zum Beispiel darüber, in welcher Oxidationsstufe die Übergangsmetalle überhaupt auftreten und welchen Einfluss ein einzelnes von ihnen auf die Performanz der Zelle haben kann“, erklärt MEET Wissenschaftler Lenard Hanf.

Diese Erkenntnisse seien aber fundamental, um langlebigere LIBs entwickeln zu können. Denn sie bilden die Grundlage, um der Übergangsmetallauflösung mit passgenauen Additiven oder Ionenfängern entgegenwirken zu können und so die LIB weiter zu optimieren.

Stabilisierung hochsensibler Metalle

Aus diesem Grund haben die MEET-Forscher neue Methoden für die Kapillarelektrophorese entwickelt. Sie ermöglichen es nun, die Oxidationsstufen mehrerer gelöster Übergangsmetalle gleichzeitig zu bestimmen.

Eine der größten Herausforderungen war es dabei, die Methodiken so zu entwickeln, dass die zu untersuchenden Proben bei Entnahme und Analyse nicht verändert werden. Denn dadurch würden wichtige Informationen verloren gehen. „Wir haben die teils instabilen und hochsensiblen Metalle mit geeigneten Komplexbildnern stabilisiert“, erklärt Hanf. Anschließend hat das Wissenschaftsteam die Auflösung verschiedener Kathodenmaterialien und kupferbasierter Stromsammler im Batterieelektrolyten unter Anwendung der neuen Methodiken detailliert analysiert.

Die Ergebnisse wie auch die neu entwickelten Methoden haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Lenard Hanf, Marcel Diehl, Jonas Henschel, Lea-Sophie-Kemper, Prof. Dr. Martin Winter und Dr. Sascha Nowak in drei Publikationen in dem Fachmagazin „Electrophoresis“ vorgestellt. Alle drei Open-Access-Artikel wurden als Titelgeschichte veröffentlicht und sind auf Englisch verfügbar.

Originalpublikationen: Hanf, L.; et al. (2020): Mn2+ or Mn3+? Investigating transition metal dissolution of manganese species in lithium ion battery electrolytes by capillary electrophoresis. Electrophoresis. Doi: 10.1002/elps.201900443; Hanf, L.; et al (2020): Investigating the oxidation state of Fe from LiFePO4‐based lithium ion battery cathodes via capillary electrophoresis. Electrophoresis. Doi: 10.1002/elps.202000097; Hanf, L.; et al. (2020): Accessing copper oxidation states of dissolved negative electrode current collectors in lithium ion batteries. Doi: 10.1002/elps.202000155

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal Process.de.

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