Das Funktionsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien beruht auf dem Ein- und Auslagerungsprozess von Lithium-Ionen zwischen positivem und negativem Elektrodenmaterial. Im Ladezustand werden Lithium-Ionen aus dem positiven Elektrodenmaterial freigesetzt und wandern durch die Elektrolytlösung zur negativen Elektrode, wo das negative Elektrodenmaterial lithiumionenreich ist. Umgekehrt werden während des Entladevorgangs Lithium-Ionen aus dem negativen Elektrodenmaterial freigesetzt und wandern zurück zur positiven Elektrode. Die Kapazität der Batterie wird hauptsächlich durch die Anzahl der reversibel eingelagerten und freigesetzten Lithium-Ionen bestimmt, und die Leistungsparameter der Batterie ändern sich unter verschiedenen Lade- und Entladebedingungen oder im Laufe der Zyklen. Wohin verschwinden also die Lithium-Ionen?
Lithium-Ionen im Inneren der Batterie werden hauptsächlich an folgenden Stellen gespeichert:
(1) Aktives Lithium, das sich zwischen der positiven und der negativen Elektrode bewegt und deinterkaliert;
(2) Unbrauchbares Lithium, das in der negativen Elektrodenschicht eingebettet ist und nicht entfernt werden kann;
(3) Auf der Oberfläche der negativen Elektrodenpartikel bildet sich ein SEI-Film;
(4) Lithium, das sich auf der Oberfläche der negativen Elektrodenbeschichtung abscheidet;
(5) Lithium solvatisiert im Elektrolyten;
(6) Lithiumfluorid, das durch Zersetzung des Elektrolyten entsteht;
(7) Auf der Oberfläche der positiven Elektrodenpartikel bildet sich ein CEI-Film;
(8) Unbrauchbares Lithium, das nicht aus dem Inneren von positiven Elektrodenmaterialien entfernt werden kann.
Im Laufe des Lade- und Entladezyklus von Lithium-Ionen-Batterien, also unter verschiedenen Lade- und Entladeraten sowie Temperaturbedingungen, verändert sich die Lithiumverteilung innerhalb der Batterie. Forscher der Universität Münster haben dies untersucht.
Im Rahmen der Studie wurde zunächst eine T-förmige Batteriestruktur konstruiert. Nach dem Laden und Entladen bzw. der Alterung der Batterie wird diese demontiert und die folgenden Schritte werden durchgeführt:
.Die positiven und negativen Elektroden werden zunächst mit DMC gereinigt und anschließend mittels Mikrowellenreaktion in Wasser gelöst. Nach Verdünnung der Reinigungs- und der Lösungslösung mit destilliertem Wasser wird der Lithiumgehalt mittels ICP-OES bestimmt.
.Die Membran wird in Salzsäure eingeweicht, die Einweichlösung wird verdünnt und anschließend mittels ICP auf ihren Lithiumgehalt geprüft.
.Die bei der Batteriemontage verwendete Nylonmembran wird mit destilliertem Wasser gewaschen und verdünnt und anschließend mittels ICP auf ihren Lithiumgehalt geprüft.
.Die anderen Hauptkomponenten der Batterie werden nach dem Waschen mit destilliertem Wasser ebenfalls auf ihren Lithiumgehalt mittels ICP-Analyse geprüft.
Zusätzlich untersuchten die Forscher als Kontrolle den Lithiumgehalt einer Batterie, die einmal mit einer C-Rate von 0,1 C entladen wurde. Dabei wurde angenommen, dass sich auf der Elektrodenoberfläche eine Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) und eine positive Elektroden-Elektrolyt-Grenzschicht (CEI) gebildet hatten. Da die ursprüngliche negative Elektrodenfolie kein Lithium enthielt, wurde der Lithiumgehalt der negativen Elektrodenfolie der Kontrollbatterie als der Lithiumgehalt der SEI-Schicht angenommen. Der Lithiumgehalt der positiven Elektrodenfolie der Kontrollbatterie abzüglich des Lithiumgehalts der ursprünglichen Elektrodenfolie wurde als der zusätzliche Lithiumgehalt der CEI-Schicht angenommen. Die Genauigkeit aller Testergebnisse beträgt ±71 µP³T.
