Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch eine entscheidende Komponente dieser Akkus gab bislang Rätsel auf: die Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase (SEI). Diese Schicht bildet sich beim ersten Laden der Batterie an der Anode und ist für die Lebensdauer des Akkus wesentlich. Erst jetzt hat ein Forschungsteam aufgeklärt, wie genau sich diese Passivierungsschicht bildet. Anders als gedacht entsteht sie nicht direkt an der Elektrode, sondern wächst zunächst im Lösungsmittel heran. Erst aus diesen “Keimen” bildet sich dann die poröse Grenzschicht. Diese neue Erkenntnis klärt auch, wie diese Schicht ihre typische Dicke erreichen kann.

Vom Smartphone über das Notebook bis zum Elektroauto – fast überall, wo mobile Stromversorgung gefragt ist, werden heute Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Mitentscheidend für den zuverlässigen Betrieb dieser Akkus ist die Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase (Solid Electrolyte Interphase, SEI). Diese Passivierungsschicht bildet sich beim ersten Anlegen einer Spannung auf der Anode und bestimmt die elektrochemische Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie wesentlich mit. Bricht die SEI auf, wird der Elektrolyt weiter zersetzt und die Kapazität der Batterie nimmt stetig ab. Trotz dieser großen Bedeutung der Grenzschicht für die Batterieleistung ist ihre Bildung jedoch erst in Teilen geklärt. “Auch wenn die fundamentalen Grenzflächenprozesse und die sie bestimmende Chemie gut bekannt sind, bleiben die Mechanismen der Bildung und Degradierung der SEI auf der Mesoskala unklar”, schreiben Meysam Esmaeilpour vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und seine Kollegen.

SEI-Bildung in 50.000 Simulationen

Vor allem eines gab Forschern bisher Rätsel auf: Um die Grenzschicht aus dem Elektrolyten zu bilden, sind Elektronen von der Anode nötig. Studien zufolge können diese aber nur rund zwei bis drei Nanometer weit in die organische Lösungsmittelumgebung vordringen. Eigentlich müsste deshalb das Wachstum der Passivierungsschicht schon nach wenigen Nanometern zum Stillstand kommen, wie Esmaeilpour und sein Team erklären. Stattdessen jedoch hat die SEI in Lithium-Ionen-Akkus typischerweise eine Dicke von 50 bis 100 Nanometern. Bisher gibt es zwar einige Hypothesen dazu, wie sich dieses scheinbare Paradoxon lösen lässt. Belegen ließ sich aber keiner der vorgeschlagenen Mechanismen – auch weil es weder mit experimentellen noch mit computergestützten Ansätzen gelungen ist, die auf ganz unterschiedlichen Größen und Längenskalen ablaufenden komplexen Wachstumsprozesse des SEI vollständig zu entschlüsseln.

Um das Rätsel um die Passivierungsschicht zu lösen, haben die Wissenschaftler nun die Vorgänge in einem zweidimensionalen Modell rekonstruiert. Dafür erzeugten sie einen Satz von mehr als 50.000 Simulationen, die verschiedene Reaktionsbedingungen auf Basis der chemischen Bestandteile des Elektrolyten und der Anode repräsentieren. In den Simulationen bildeten sich schon wenige Dutzend Mikrosekunden nach Anlegen einer Spannung wie erwartet die ersten Lithium-Verbindungen, die als Vorläufer für die Grenzschicht bekannt sind. “Alle drei intermediären Verbindungen haben ihren Ursprung nahe der Elektrodenoberfläche”, berichtet das Team. Dies passt zur Annahme, dass für diese Reaktionen die Elektronen der Anode nötig sind. Überraschend war jedoch, was als nächstes geschah: Die Vorläufermoleküle blieben nicht in der Nähe der Anode und lagerten sich auch nicht direkt auf ihr ab. Stattdessen diffundierten sie von der Elektrode weg, wie Esmaeilpour und seine Kollegen beobachteten. Teilweise bewegten sich diese Moleküle so weit weg, dass sie in dem in der Simulation erfassten Ausschnitt nicht mehr sichtbar waren.

SEI-Keime entstehen nicht direkt an der Elektrode

Diese Drift der Vorläufermoleküle wirkt sich entscheidend auf die Entstehung der Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase aus, wie der weitere Verlauf der Simulationen enthüllte: Die ersten Kristallisationskeime für die Bildung dieser Passivierungsschicht entstehen dadurch nicht direkt an der Anode, sondern rund 20 Nanometer von ihrer Oberfläche entfernt, wie das Team berichtet. Dort wachsen diese Keime zu immer größeren Klumpen heran. Erst dadurch geraten sie wieder in Kontakt mit der Anodenoberfläche und verwachsen miteinander zu einer porösen, unbeweglichen Schicht – der Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase. “Die ist der erste Beleg für einen lösungsvermittelten Wachstumsprozess der SEI”, schreiben die Wissenschaftler. “Der Massentransport der Vorläufer der organischen SEI weg von der Oberfläche ist ein entscheidender Schritt für die Nukleation und das Wachstum der Passivierungsschicht.” In ihren Simulationen wurde die SEI-Schicht umso dicker, je weiter von der Anode entfernt sich die ersten Kristallisierungskeime aus den Vorläufermoleküle bildeten.

„Damit haben wir eines der großen Rätsel der wichtigsten Schnittstelle in Flüssigelektrolyt-Batterien gelöst – auch in Lithium-Ionen-Batterien, wie wir alle sie täglich nutzen“, sagt Seniorautor Wolfgang Wenzel vom KIT. In ihrer Studie gelang es dem Team zudem, weitere Reaktionsparameter zu identifizieren, die die Dicke der Passivierungsschicht bestimmen. “Dies wird es künftig ermöglichen, Elektrolyte und geeignete Zusatzstoffe zu entwickeln, um die Eigenschaften der SEI zu steuern und damit die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterien zu verbessern”, sagt Esmaeilpours Kollege Saibal Jana.

Quelle: Meysam Esmaeilpour (Karlsruher Institut für Technologie) et al., Advanced Energy Materials, doi: 10.1002/aenm.202203966

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar