Mit neuer Simulationsmethode zur Lithium-Metall-Batterie

Ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Energiespeicher ist die Lithium-Metall-Batterie. Im Vergleich zur herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie hat sie eine mehrfach höhere Energiedichte und eine höhere spezifische Kapazität. Eine Einschränkung in der Anwendung war bislang die Reaktionsfreudigkeit der Lithium-Metall-Elektrode mit dem flüssigen Elektrolyten. Dabei bildet sich an der Grenzfläche von Elektrode und Elektrolyt eine feste Passivierungsschicht, die bislang schwer zu kontrollieren und zu stabilisieren war. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) berichten in Nature Communications über eine neue Simulationsmethode, mit der die Ausbildung dieser Passivierungsschicht (engl. Solid Electrolyte Interphase, kurz SEI) detailliert nachverfolgt und optimiert werden kann.

„Mit dem neuen Simulationstool lässt sich in molekularer Auflösung zeigen, wie sich die SEI am Lithium-Metall innerhalb der ersten Mikrosekunden nach dem Kontakt mit dem Flüssigelektrolyt ausbildet“, erläutert Janika Wagner-Henke vom Institut für Angewandte Materialien – Elektrochemische Technologien des KIT. „Es zeigt auch, wie sich die Elektrolytzusammensetzung auf die SEI-Bildung und die sie steuernden Prozesse auswirkt.“

Bislang war dies nur wenige Nanosekunden lang möglich. Nun können molekulare Prozesse verstanden werden, die weder mit herkömmlichen molekulardynamischen Simulationsmethoden noch mit Experimenten zugänglich waren. Das Verständnis der komplexen Grenzflächenprozesse ermöglicht das wissensbasierte Design der SEI. Eine stabile SEI an Lithium-Metall-Elektroden ist eine wichtige Grundvoraussetzung, um diese im großen Stil nutzbar zu machen. Das vorgestellte Simulationstool legt eine wichtige Grundlage dafür und ist ein weiterer Schritt hin zu leistungsfähigen und langlebigen Lithium-Metall-Batterien.

sfo, 07.12.2023