Die Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) beschreibt die neue Phase, die sich in funktionierenden Batterien zwischen Anode und Elektrolyt bildet. Hochenergie-Lithium-Metall-Batterien leiden stark unter dendritischer Lithiumabscheidung, die durch eine ungleichmäßige SEI begünstigt wird. Obwohl die Anionen-basierte SEI Vorteile hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Lithiumabscheidung bietet, ist ihr Effekt in der Praxis nicht optimal. Die Forschungsgruppe von Zhang Qiang an der Tsinghua-Universität schlug kürzlich vor, Anionenrezeptoren zur Anpassung der Elektrolytstruktur einzusetzen, um eine stabile Anionen-basierte SEI zu erzeugen. Der Tris(pentafluorphenyl)boran-Anionenrezeptor (TPFPB) mit elektronenarmen Boratomen interagiert mit dem Bis(fluorsulfonimid)-Anion (FSI⁻) und reduziert dessen Reduktionsstabilität. Zudem verändert sich in Gegenwart von TPFPB die Art der FSI⁻-Ionencluster (AGG) im Elektrolyten, wodurch FSI⁻ vermehrt mit Li⁺ interagiert. Daher wird die Zersetzung von FSI- gefördert, um Li2S zu erzeugen, und die Stabilität der aus Anionen stammenden SEI wird verbessert.
Die SEI besteht aus den reduktiven Zersetzungsprodukten des Elektrolyten. Zusammensetzung und Struktur der SEI werden hauptsächlich durch die Elektrolytstruktur bestimmt, d. h. durch die mikroskopische Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel, Anion und Li⁺. Die Elektrolytstruktur ändert sich nicht nur mit der Art des Lösungsmittels und des Lithiumsalzes, sondern auch mit dessen Konzentration. In den letzten Jahren haben hochkonzentrierte Elektrolyte (HCE) und lokalisierte hochkonzentrierte Elektrolyte (LHCE) einzigartige Vorteile bei der Stabilisierung von Lithiummetallanoden durch die Bildung einer stabilen SEI gezeigt. Das molare Verhältnis von Lösungsmittel zu Lithiumsalz ist niedrig (unter 2), und Anionen werden in die erste Solvathülle von Li⁺ eingebracht, wodurch in HCE oder LHCE Kontaktionenpaare (CIP) und Aggregate (AGG) entstehen. Die Zusammensetzung der SEI wird in HCE und LHCE anschließend durch die Anionen reguliert; man spricht dann von einer anioneninduzierten SEI. Trotz ihrer vielversprechenden Eigenschaften bei der Stabilisierung von Lithiummetallanoden genügen die derzeitigen, auf Anionen basierenden SEIs den Anforderungen der Praxis nicht. Daher ist es notwendig, die Stabilität und Homogenität der auf Anionen basierenden SEIs weiter zu verbessern, um die Herausforderungen unter realen Bedingungen zu bewältigen.
Anionen in Form von CIP und AGG sind die Hauptvorstufen für die anionenbasierte SEI. Im Allgemeinen wird die Elektrolytstruktur von Anionen indirekt durch Li⁺ reguliert, da die positive Ladung von Lösungsmittel- und Verdünnungsmittelmolekülen nur schwach lokalisiert ist und nicht direkt mit Anionen interagieren kann. Daher werden neue Strategien zur Regulierung der Struktur anionischer Elektrolyte durch direkte Wechselwirkung mit Anionen dringend benötigt.
Veröffentlichungsdatum: 22. November 2021