SECM Batterien

Elektrochemische Rastermikroskopie an Batterie Elektroden

Eine Lithium-Ionen-Batterie beinhaltet eine negative Anode und eine positive Kathode. Als Anodenmaterialien kommen Graphit und Silizium zum Einsatz in deren Wirtsstrukturen die Lithium-Ionen beim Laden der Batterie eingelagert werden. An der Grenze zwischen der festen Anode und dem flüssigen Batterieelektrolyten bildet sich eine Zwischenschicht, die als SEI (solid electrolyte interface) bezeichnet wird. Diese hauchdünne (ca. 30-50 nm) Zwischenschicht entsteht durch eine Zersetzungsreaktion des Elektrolyten mit der Anode innerhalb der ersten Lade- und Entladezyklen und schützt die Batteriebestandteile vor weiterer Degradation. Die SEI ist für Lithium-Kationen, die Energieträger im Elektrolyten, leitfähig und besitzt zudem eine geringe Elektronentransferkinetik.

Mit dem Elektrochemischen Rastermikroskop (SECM, scanning electrochemical microscope) kann die lokale Elektronentransferkinetik der SEI hochaufgelöst in Form von 2D-Abbildungen dargestellt werden. Wie in einem Daumenkino können die Veränderungen dieser Schicht durch die Aufnahme einer 2D-Abbildungsserie des identischen Bildausschnitts über die ersten Lade- und Entladezyklen verfolgt werden.

Durch die Entwicklung eines neuartigen Messaufbaus konnte die SEI-Bildung auf dem aktuell wieder sehr relevantem Anodenmaterial Lithium-Metall unter realistischen Stromdichten verfolgt werden.1 Zudem konnte ein Selbstentladephänomen von Silizium Elektroden mit Hilfe dieser Methode mit der SEI-Bildung korreliert werden.2 In der Vergangenheit wurden bereits andere Batteriematerialien mit dem Elektrochemischen Rastermikroskop in der AG Wittstock untersucht.3–5

Literaturverzeichnis

(1) Krueger, B.; Balboa, L.; Dohmann, J. F.; Winter, M.; Bieker, P.; Wittstock, G. Solid Electrolyte Interphase Evolution on Lithium Metal Electrodes Followed by Scanning Electrochemical Microscopy Under Realistic Battery Cycling Current Densities. ChemElectroChem 2020, 7, 1–8. DOI: 10.1002/celc.202000441.

(2) Bärmann, P.; Krueger, B.; Casino, S.; Winter, M.; Placke, T.; Wittstock, G. Impact of the Crystalline Li15Si4 Phase on the Self-Discharge Mechanism of Silicon Negative Electrodes in Organic Electrolytes. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12 (50), 55903–55912. DOI: 10.1021/acsami.0c16742.

(3) dos Santos Sardinha, E.; Sternad, M.; R. Wilkening, H. M.; Wittstock, G. Nascent SEI-Surface Films on Single Crystalline Silicon Investigated by Scanning Electrochemical Microscopy. ACS Applied Energy Materials 2019, 2 (2), 1388–1392. DOI: 10.1021/acsaem.8b01967.

(4) Bülter, H.; Peters, F.; Schwenzel, J.; Wittstock, G. Comparison of Electron Transfer Properties of the SEI on Graphite Composite and Metallic Lithium Electrodes by SECM at OCP. J. Electrochem. Soc. 2015, 162 (13), A7024-A7036. DOI: 10.1149/2.0031513jes.

(5) Bülter, H.; Peters, F.; Schwenzel, J.; Wittstock, G. Detektion lokaler und zeitlicher Veränderungen der Elektrodengrenzschicht in Lithium-Ionen-Batterien mit dem elektrochemischen Rastermikroskop. Angew. Chem. 2014, 126 (39), 10699–10704. DOI: 10.1002/ange.201403935.

(Stand: 09.06.2021)