Li-ion: passiveringsmysterie opgelost

Lithium-ionbatterijen functioneren alleen vanwege een passiveringslaag die zich tijdens hun eerste cyclus vormt. Zoals onderzoekers van het Karlsruher Institute of Technology (KIT) via simulaties ontdekten, ontwikkelt deze vaste elektrolyt-interfase zich niet direct bij de elektrode, maar aggregeert ze in de oplossing. Hun bevindingen maken het mogelijk om de prestaties en levensduur van toekomstige batterijen te optimaliseren.

De wetenschappers rapporteren over hun studie in het tijdschrift Advanced Energy Materials.

Een essentieel onderdeel van de betrouwbare werking van vloeibare elektrolytbatterijen is de vaste elektrolyt-interfase (solid electrolyte interphase; SEI). Deze passiveringslaag vormt zich wanneer er voor het eerst spanning op wordt gezet. De elektrolyt wordt in de directe omgeving van het oppervlak afgebroken. Tot nu toe was het onduidelijk hoe de deeltjes in de elektrolyten een tot 100 nanometer dikke laag op het oppervlak van de elektrode vormen, aangezien de ontledingsreactie pas mogelijk is op enkele nanometers afstand van het oppervlak.

De passiveringslaag op het anode-oppervlak is cruciaal voor de elektrochemische capaciteit en levensduur van een lithium-ionbatterij, omdat deze bij elke oplaadcyclus zwaar wordt belast. Wanneer de SEI tijdens dit proces wordt afgebroken, wordt het elektrolyt verder afgebroken en neemt de capaciteit van de batterij af – een proces dat de levensduur van een batterij bepaalt. Met de juiste kennis over de groei en samenstelling van de SEI kunnen de eigenschappen van een batterij worden beheerst. Maar tot nu toe was geen enkele experimentele of computerondersteunde benadering voldoende om de complexe groeiprocessen van de SEI te ontcijferen die op zeer grote schaal en in verschillende dimensies plaatsvinden.

Onderzoekers van het KIT Institute of Nanotechnology (INT) zijn er nu in geslaagd om de vorming van de SEI te karakteriseren met een multi-scale aanpak. “Dit lost een van de grote mysteries op met betrekking tot een essentieel onderdeel van alle vloeibare elektrolytbatterijen – vooral de lithium-ionbatterijen die we allemaal elke dag gebruiken”, zegt Wolfgang Wenzel, directeur van de onderzoeksgroep Multiscale Materials Modeling and Virtual Design, die betrokken is in het Europese onderzoeksinitiatief Battery 2030+ dat gericht is op de ontwikkeling van veilige, betaalbare, duurzame, hoogwaardige batterijen voor de toekomst.

50.000 simulaties

Om de groei en samenstelling van de passiveringslaag aan de anode van vloeibare elektrolytbatterijen te onderzoeken, genereerden de onderzoekers een ensemble van meer dan 50.000 simulaties die verschillende reactieomstandigheden vertegenwoordigen. Ze ontdekten dat de groei van de organische SEI een oplossingsgemedieerd pad volgt: ten eerste komen SEI-voorlopers die direct aan het oppervlak worden gevormd, ver weg van het elektrode-oppervlak samen via een nucleatieproces. De daaropvolgende snelle groei van de kernen leidt tot de vorming van een poreuze laag die uiteindelijk het elektrodeoppervlak bedekt.

Deze bevindingen bieden een oplossing voor de paradoxale situatie dat SEI-bestanddelen zich alleen nabij het oppervlak kunnen vormen, waar elektronen beschikbaar zijn, maar hun groei zou stoppen zodra dit smalle gebied bedekt is. “We waren in staat om de belangrijkste reactieparameters te identificeren die de SEI-dikte bepalen”, zegt postdoc Saibal Jana. “Dit zal de toekomstige ontwikkeling van elektrolyten en geschikte additieven mogelijk maken die de eigenschappen van de SEI regelen en de prestaties en levensduur van de batterij optimaliseren.”