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Ionen und Molekültransport durch die Festelektrolytinterphase (SEI)

Abbildung: Falk Krauß, Isabel Pantenburg.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Methoden zur Charakterisierung der Morphologie und der Transporteigenschaften der Festelektrolyt-Interphase (SEI), adaptiert von [1].

Zusammenfassung:

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) finden breite Anwendung in mobilen elektronischen Geräten. Während des ersten Ladezyklus der Batterie zersetzt sich der Elektrolyt (Lithiumsalz gelöst in einer Mischung organischer Carbonate) an der Grenzfläche von Graphitanode und Elektrolyt. Die Zersetzungsprodukte bilden die Festelektrolyt-Interphase (SEI), die als Passivierungsschicht wirkt und eine weitere Zersetzung des Elektrolyten verhindert. Im Idealfall ist die SEI ein schneller Lithiumionenleiter und blockiert Elektronen und Moleküle vollständig. Reale SEIs lassen jedoch einen langsamen Transport von Elektronen und/oder Molekülen zu, was zu einer weiteren Elektrolytzersetzung und einem langsamen Wachstum der SEI führt. Aufgrund der komplexen Morphologie der SEI sind die Transporteigenschaften bis heute nicht vollständig verstanden.

Um die Passivierungseigenschaften von SEIs aufzuklären, bilden wir mittels elektrochemischer Verfahren modellartige SEIs auf planaren Modellelektroden und charakterisieren deren chemische Zusammensetzung, Morphologie und Transporteigenschaften durch die Kombination verschiedener experimenteller Techniken (Rasterkraftmikroskopie (AFM), Rasterelektronenmikroskopie mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB-SEM), Cyclovoltammetrie, elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und Redox-Sonden-Experimente).

[1] P. J. F. Harris, Philos. Mag. 2004, 84 (29), 3159–3167.

Ansprechpartner:

Hervorgehobene Publikationen:

  • F. T. Krauss, I. Pantenburg, V. Lehmann, M. Stich, J. O. Weiershäuser, A. Bund, B. Roling, 'Elucidating the Transport of Electrons and Molecules in a Solid Electrolyte Interphase Close to Battery Operation Potentials Using a Four-Electrode-Based Generator-Collector Setup', Journal of the American Chemical Society 146 (2024), 19009.  doi:10.1021/jacs.4c03029 
  • F. T. Krauss, I. Pantenburg, B. Roling, 'Transport of Ions, Molecules, and Electrons across the Solid Electrolyte Interphase: What Is Our Current Level of Understanding?', Adv. Mater. Interfaces 9 (2022), 2101891. doi: 10.1002/admi.202101891
  • S. Kranz, T. Kranz, A. G. Jaegermann, B. Roling, 'Is the solid electrolyte interphase in lithium-ion batteries really a solid electrolyte? Transport experiments on lithium bis(oxalato)borate-based model interphases', J. Power Sources 418 (2019) 138-146. doi: 10.1016.j.jpowsour.2019.01.060
  • T. Kranz, S. Kranz, V. Miß, J. Schepp, B. Roling, 'Interrelation between Redox Molecule Transport and Li+ Ion Transport across a Model Solid Electrolyte Interphase Grown on a Glassy Carbon Electrode', J. Electrochem. Soc. 164 (2017) A3777-A3784. doi: 10.1149/2.1171714jes