Elektrolyte für Hochspannungsbatterien

Höhere Energiedichten von Lithium-Ionen-Batterien lassen sich durch höhere Ladespannungen (>>4,3 V vs. Li⁺/Li) erreichen, doch geht ein solcher Ansatz meistens mit einem Sicherheitsrisiko und einer Verkürzung der Zyklusdauer einher. Die Aktivmaterialien für positive Elektroden mit kristallinen Schichtoxidstrukturen, wie NCM, sind ab einem bestimmten Grad der De-Lithiierung nicht mehr stabil und wandeln sich bei Hochspannungsladung in elektrochemisch inaktive Phasen um. In Verbindung damit kann die Auflösung von Übergangsmetallen an der positiven Elektrode die SEI drastisch verändern, sobald sie durch den Elektrolyten gewandert sind und sich an der negativen Elektrode abgelagert haben, was als “Cross-Talk”-Phänomen bekannt ist. Dies führt zu einer Verarmung der aktiven Lithiumspezies, entweder durch Immobilisierung innerhalb der SEI oder durch weitere Bildung von Li-Dendriten, was zu einem schnellen Kapazitätsabfall (Rollover-Fehler) führt.

Herkömmliche Elektrolyte auf EC-Basis sind aufgrund ihrer anfänglich geringen anodischen Stabilität jenseits von 4,3 V gegen Li⁺/Li sehr instabil gegenüber positiven Hochspannungselektroden. Jenseits dieser Spannung oxidiert und polymerisiert das Lösungsmittel als Polycarbonat-Spezies auf den entlithiierten geschichteten positiven Elektrodenmaterialien als Bestandteil der SEI die auch bei Hochspannung nicht stabil ist. Hochspannungselektrolyte müssen daher entweder die Bildung eines Schutzfilms auf der positiven Elektrodenoberfläche fördern oder die Auflösung der Ionen, aus denen die geschichtete positive Materialstruktur besteht, behindern.

Hochspannungsfeste Elektrolyte werden eingesetzt, um die Betriebsspannung oder die Kapazität der Li-Ionen-Batterienzu verbessern.