Wie sich Batterieelektrolyte verhalten, wenn man sie erwärmt

Lea Westphal von der Technischen Universität München (TUM) ist Erstautorin einer neuen Studie, die das bislang detaillierteste, temperaturabhängige Bild von Ethylencarbonat (EC) liefert. EC ist ein Lösungsmittel, das in Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.

Die Grafik der Batterie schaffte es auf die Titelseite der Zeitschrift, in der die Studie veröffentlicht ist. © Reiner Müller, FRM II / TUM, Lea Westphal et al. Published by American Chemical Society.

EC steckt in fast allen Lithium-Ionen-Batterien, etwa in Smartphones oder Elektroautos. Der Stoff hilft dabei, eine Schutzschicht auf Graphitanoden zu bilden. „Dank dieser Schicht funktioniert die Batterie länger, weil Elektroden und Elektrolyt vor Zersetzung geschützt werden“, erklärt Lea Westphal, Doktorandin am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum.

Bessere Vorhersagen für die Industrie

Auch wenn EC bei Raumtemperatur fest ist und mit Lösungsmitteln mit niedrigerem Schmelzpunkt gemischt werden muss, um flüssig zu bleiben, liefert die genaue Kenntnis des Molekülverhaltens bei Temperaturänderungen der Wissenschaft und den Batterieherstellern wesentlich bessere Anhaltspunkte. Das Team untersuchte, wie sich EC-Moleküle anordnen und bewegen – von Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bis zu ihrem Schmelzpunkt.
Um winzige Veränderungen im EC-Kristall während der Erwärmung zu verfolgen, nutzte das Team um Lea Westphal die Neutronenpulverdiffraktion an zwei Neutronenquellen: am Instrument SPODI am FRM II der TUM in Garching und am Instrument ECHIDNA bei ANSTO in Sydney. Die Messungen zeigten, dass EC von nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt von -270°C bis hin zu 36°C die gleiche geordnete Kristallstruktur aus einer festen sich wiederholenden Einheit beibehält.

Lea Westphal mit einem Probenbehälter am Instrument SPODI des Heinz Maier-Leibniz Zentrums. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Ausdehnung bei steigender Temperatur

Die Forschenden beobachteten zudem, dass sich die wiederholende Einheit bei steigender Temperatur merklich ausdehnt, da die Moleküle stärker schwingen.
Um die strukturelle Veränderung während des Schmelzens zu verstehen, untersuchten die Forschenden die Proben mit Hochenergie-Röntgenpulverdiffraktion bei DESY (PETRA III) in Hamburg. Sie entdeckten: Wenn EC schmilzt, geht die regelmäßige Anordnung der Moleküle verloren, aber jedes Molekül für sich bleibt in seiner Form erhalten. „Das heißt, die Moleküle überstehen den Übergang in den flüssigen Zustand und verlieren lediglich ihre weitreichende Ausrichtung“, sagt Lea Westphal.

Nützlich für langlebigere Elektrolyte

Warum die Ergebnisse der Studie wichtig sind, erklärt Lea Westphal: „In der Praxis können diese verbesserten Vorhersagen die Entwicklung sicherer, langlebigerer Elektrolyte beschleunigen und uns dabei helfen, Lösungsmittelgemische oder Additive auszuwählen, die über einen größeren Temperaturbereich zuverlässig funktionieren.“