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. (Quelle: Wiley-VCH GmbH/Uni Münster)

 

Wie kann die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) weiter verbessert werden? Wissenschaftler vom Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) entwickelten dafür neue Verfahren für die Kapillarelektrophorese. Diese ermöglichen erstmals eine detaillierte Analyse der Übergangsmetallauflösung in Lithium-Ionen-Batterien.

 

Neue Methodik liefert bisher unbekannte Detailergebnisse

Die Auflösung von Übergangsmetallen im Elektrolyten führt zu Kapazitätsverlusten und verkürzt so die Lebensdauer der LIB. 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.

 

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 MEET 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 MEET 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 Titelgeschichten veröffentlicht.

 

Originalveröffentlichungen:

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