Grenzflächen und Interphasen
Elektrolyte sind Schlüsselbestandteile jedes elektrochemischen Systems. Sie sind mit 3D-Interphasen verbunden, die auf die hohe Reaktivität der Elektroden und die intrinsische Instabilität der Elektrolytkomponenten zurückzuführen sind. In den meisten Fällen bestimmen sowohl Elektrolytformulierungen als auch ihre Ad-hoc-Grenzflächen-Chemien das Schicksal einer Batteriechemie – und damit die Leistung und Sicherheit des Energiespeichers.
Der R&D-Anwendungsbereich von Elektrolyten reicht vom Auflösungsvermögen für Elektrolytsalze über Leitfähigkeit, elektrochemische und thermische Stabilität, Benetzbarkeit, Entflammbarkeit und Dampfdruck bis hin zu den wesentlichen Filmbildungsfähigkeiten.
Das Helmholtz-Institut Münster legt einen Forschungsschwerpunkt auf die Entwicklung neuartiger und die Weiterentwicklung existierender (multifunktionaler) Elektrolyte für Batterieanwendungen auf Lithiumbasis – von der maßgeschneiderten Synthese der neuartigen Elektrolytkomponenten bis hin zur Grenzflächenelektrochemie und -prozessen (siehe Abbildung 1).
Forschung auf einen Blick:
- Maßgeschneiderte Synthesen innovativer und hochreiner Elektrolytkomponenten: leitende Salze, organische Lösungsmittel und Co-Lösungsmittel sowie (multi-)funktionale Additive
- Entwicklung von Struktur-Eigenschaften-Leistungs-Beziehungen für das Verstehen und Erkennen der wichtigsten Betriebs- und Ausfallmechanismen
- Umfassende und systematische Charakterisierung auf Elektrolyt- und Batteriezellebene
- Grundlegendes Verstehen der relevanten Struktur- und Zusammensetzungseigenschaften, der (elektro-)chemischen Reaktionen und des thermodynamischen und kinetischen Verhaltens
- Praktische Strategien zur Verbesserung der Interphaseneigenschaften in Hinblick auf eine verbesserte Gesamtleistung und Sicherheit von Lithium-basierten Batteriezellchemien
Hochdurchsatz-Screening-System
Das in Münster gut etablierte Hochdurchsatz-Screening-System (HTS) ermöglicht eine schnelle, systematische und vollautomatische Formulierung flüssiger Elektrolyte, den Zusammenbau von Zellen in zwei und drei Elektroden sowie vorausgewählte physikalisch-chemische und elektrochemische Messungen auf Elektrolyt- und Zellebene. Darüber hinaus dient es als Filtrationseinheit zur beschleunigten Identifizierung kostengünstiger sowie elektrochemisch und thermisch leistungsfähiger Bleielektrolytkandidaten für die gezielte Anwendung in einer bestimmten Zellchemie.
Die gesamte Wertschöpfungskette wird vom Laborinformationsmanagementsystem (LIMS) gesteuert. Es dient, in Kombination mit einer auf künstlicher Intelligenz (AI) basierenden Analyse der generierten HTS-Daten, zur Vorhersage lebenswichtiger Elektrolyteigenschaften und kann neue Kombinationen fortschrittlicher Elektrolytformulierungen mit erhöhter Sicherheit vorschlagen (siehe Abbildung 2).
Publikationen:
Advanced Energy Materials 2021, Early View, DOI: 10.1002/aenm.202102678
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