Lithium isotope fractionation: A predictive indicator of lithium-ion battery failure

Die Lithiumisotopenfraktionierung (LIF) wurde als diagnostisches Werkzeug zur frühzeitigen Erkennung der Batteriealterung untersucht. Lithiumisotopenverhältnisse (δ7Li) in Lithium-Cobalt-Oxid-(LCO)-Lithium-Ionen-Batterien (LIBs), bestimmt mittels Multikollektor-Induktiv-gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (Präzision ~0,2 ‰), wurden mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie und Kapazitätsverlust korreliert. LIF wurde bestätigt; die δ7Li-Werte reichten von 1 bis −8 ‰, und zwei dominante Mechanismen wurden identifiziert. In der frühen Alterungsphase deutet die 7Li-Fraktionierung im Elektrolyten und an der Anode auf einen bevorzugten Verbrauch von 7Li während des Wachstums der Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) hin, während die Kathode mit 6Li angereichert wird. In der mittleren bis späten Phase erfolgt eine bevorzugte Interkalation von 6Li zur Anode, begleitet von einer zunehmenden Anreicherung von 7Li an der Kathode. Dies weist auf einen Wechsel von chemisch getriebenen Prozessen, wie der SEI-Bildung, zu feldgetriebenem Isotopentransport hin. Analytische Methoden zur Bestimmung der LIF mittels massenspektrometrischer und optischer Verfahren wurden entwickelt. Die mikrowelleninduzierte Kaltstickstoffplasma-Massenspektrometrie erreichte eine δ7Li-Präzision von 0,68–3,38 ‰ und zeigt Potenzial für die LIF-Überwachung. Laserablations-ICP-MS zeigte eine bevorzugte 6Li-Diffusion zur inneren Kathodenkante nahe dem Stromableiter und stützt den feldgetriebenen Transport. Für geologische Anwendungen wurde die hochauflösende Kontinuumsquellen-Atomabsorptionsspektrometrie optimiert und erreichte eine δ7Li-Präzision von 1,0–2,5 ‰. Die Ergebnisse zeigen, dass LIF bestimmt werden kann und mit der Zellalterung zusammenhängt. Die Kombination elektrochemischer, analytischer und spektrochemischer Charakterisierungen zeigt, dass LIF zur Überwachung und Vorhersage der Batteriealterung eingesetzt werden kann.