07.09.2020 - Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU)

Neue Analysemethoden für langlebigere Lithium-Ionen-Batterien

Wissenschaftsteam ermöglicht detaillierte Untersuchung der Übergangsmetallauflösung

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. Die Forschungsergebnisse wie auch die neu entwickelten Methoden sind in drei Publikationen des Fachmagazins „Electrophoresis“ erschienen.

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.

Kapillarelektrophorese wird dreimal Titelgeschichte

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 Titelgeschichte veröffentlich und sind auf Englisch verfügbar.

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    Martin Vogel, geb. 1973, hat Chemie studiert und an der Universität Münster in analytischer Chemie promoviert. Nach seiner Promotion ging er für einige Jahre an die Universität Twente in Enschede (Niederlande). Seit 2006 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Anorganische und ... mehr

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    Joachim Jose, geb. 1961, studierte Biologie an der Universität Saarbrücken, wo er promovierte. Die Habilitation erfolgte am Institut für Pharma­zeutische und Medizinische Chemie der Universität des Saarlandes. Von 2004 bis 2011 war Professor für Bioanalytik (C3) an der Heinrich-Heine-Univer ... mehr