Sichere Elektrolytsysteme für Lithium-Ionen-Batterien

Die Lithium-Ionen-Batterietechnologie (LIB) als ein wichtiger Energiespeicher, der den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft unterstützt, wird aktuell in einer breiten Palette von Anwendungen eingesetzt. Die unzureichende Sicherheit der einzelnen Batteriezellen stellt jedoch noch immer eine Herausforderung dar, die hauptsächlich auf das thermische Versagen der Batteriezellen aufgrund exothermer Reaktionen in der Elektrode und an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche zurückzuführen ist. Das Ziel dieser Arbeit ist deshalb, eine Verbesserung der Li-Ionen-Zellsicherheit durch Elektrolytmodifikation und Verwendung von geeigneten Flammschutzmitteln (FSM) zu erreichen. Dabei werden im Rahmen der Arbeit zwei Strategien verfolgt: (1) durch Auswahl thermisch stabiler Elektrolyte soll die Gasentwicklung durch Verdampfung und Zersetzung unter-drückt werden; (2) durch inertes CO2-Gas, das durch das in die Zelle eingebrachte CO2-bildende Flammschutzmittel thermisch freigesetzt werden kann, wird die entflammbare Atmosphäre verdünnt und somit der mögliche Batteriebrand verzögert.
Im ersten Arbeitspaket wurden aus einer großen Anzahl von Grundmischungen thermisch stabiler Salz- und Lösungsmittelverbindungen die drei besten thermisch stabilen Elektro-lyte ausgewählt. ... mehrDazu wurden die drei Leitsalze LiTFSI, LiBF4 und LiDFOB jeweils in zwei hochsiedenden Lösungsmittelkombinationen aufgelöst. Es konnte zum einen erreicht werden, dass diese ausgewählten Mischungen eine verbesserte thermische Stabilität in Bezug auf Siedepunkt und Flammpunkt im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolyten auf LiPF6-Basis aufweisen. Zum anderen wurde nachgewiesen, dass sich diese Mischungen als Vollzellelektrolyte eignen, indem die Mischungen in Bezug auf Schmelzpunkt, Ionentransporteigenschaften, Aluminiumauflösung, Halbzellen- und Vollzellenleistung eingehend charakterisiert wurden.
Im zweiten Arbeitspaket wurde die Machbarkeit der Integration der CO2-bildenden Flammschutzmittel in die Zelle untersucht, das zu einer thermischen CO2-Freisetzung führen soll. Die Auswahl der geeigneten FSM erfolgte unter Berücksichtigung der CO2-Freisetzung und der thermischen Stabilität mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA), der Löslichkeit und der elektrochemischen Stabilität. Die ausgewählten flüssigen FSM (tert-Butylethylmalonat und Di-n-butyloxalat) und festen FSM (Lithiumoxalat, Dinatriumfumarat und Li2CO3) wurden in Elektrolytmischungen dispergiert bzw. durch Beschichtungstechniken (wie Spin-Coating, Solution-Casting und Foliengießen) auf Elektrodenfolien und Separatoren aufgebracht. Auf diese Weise konnte der Zusammenhang zwischen den Beschichtungsergebnissen und den verwendeten Methoden nachgewiesen werden. Im letzten Schritt erfolgte eine Bewertung hinsichtlich der Realisierbarkeit der Technologie anhand der Zellleistung der mit FSM modifizierten Zellmaterialien.