Während Lithium-Ionen-Batterien heute die Hauptstütze von Elektrofahrzeugen sind, haben sie gewisse Nachteile. Sie neigen zur Überhitzung und halten nicht immer so lange, wie wir es gerne hätten. Hinzu kommt, dass Rohstoffe zum Teil knapp sind, sodass die Herstellungskosten aufgrund von Skaleneffekten eher steigen als erwartet sinken.
Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums erforschen Lösungen für diese Probleme, indem sie neue Materialien im Batteriebau testen. Ein solches Material ist Schwefel, der reichlich vorhanden und kostengünstig ist. Außerdem kann er deutlich mehr Energie speichern als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Die Forscher behaupten, 2600 Wh pro Kilogramm seien möglich.
In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Naturkommunikation, Die Forscher berichteten über Fortschritte in der Batterieforschung auf Schwefelbasis, die durch die Schaffung einer Schicht innerhalb der Batterie erzielt wurden, die die Energiespeicherkapazität erhöht und gleichzeitig ein traditionelles Problem mit Schwefelbatterien, das Korrosion verursacht, nahezu beseitigt. „Diese Ergebnisse zeigen, dass eine redoxaktive Zwischenschicht einen enormen Einfluss auf die Entwicklung von Li-S-Batterien haben könnte. Wir sind der Einführung dieser Technologie in unserem Alltag einen Schritt näher gekommen“, sagt Wenqian Xu, Mitglied des Forschungsteams.
Das vielversprechende neue Batteriedesign kombiniert eine schwefelhaltige positive Elektrode mit einer negativen Elektrode aus Lithiummetall. Zwischen diesen Komponenten befindet sich der Elektrolyt – die Substanz, die Ionen zwischen den beiden Enden der Batterie passieren lässt. Frühe Lithium-Schwefel-Batterien zeigten keine gute Leistung, da sich Polysulfide im Elektrolyten auflösten und Korrosion verursachten. Dieser Polysulfid-Shuttle-Effekt wirkt sich negativ auf die Batterielebensdauer aus und verringert die Anzahl der Wiederaufladungen der Batterie.
Um dieses Pendeln des Polysulfids zu verhindern, versuchten die Forscher, eine redoxinaktive Zwischenschicht zwischen Kathode und Anode zu platzieren. Der Begriff „redoxinaktiv“ bedeutet, dass das Material keine Reaktionen wie bei einer Elektrode durchläuft. Diese schützende Zwischenschicht ist jedoch schwer und dicht, was die Energiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit für die Batterie verringert. Es reduziert auch das Pendeln nicht angemessen, was sich als Haupthindernis für die Kommerzialisierung von Lithium-Schwefel-Batterien erwiesen hat.
Um dem entgegenzuwirken, entwickelten und testeten die Forscher eine poröse, mit Schwefel versetzte Zwischenschicht. Tests im Labor zeigten eine etwa dreimal höhere Anfangskapazität bei Lithium-Schwefel-Zellen mit dieser aktiven – im Gegensatz zu inaktiven – Zwischenschicht. Die Zellen mit der aktiven Zwischenschicht behielten ihre hohe Kapazität über 700 Lade-/Entladezyklen bei.
„Frühere Experimente mit Zellen mit der redoxinaktiven Schicht unterdrückten nur das Pendeln, aber dabei opferten sie die Energie für ein bestimmtes Zellgewicht, weil die Schicht zusätzliches Gewicht hinzufügte“, sagt Guiliang Xu, ein Argonne-Chemiker und Mitautor von das Papier. ”Im Gegensatz dazu trägt unsere redoxaktive Schicht zur Energiespeicherkapazität bei und unterdrückt den Shuttle-Effekt.”
Um die redoxaktive Schicht weiter zu untersuchen, führte das Team Experimente an der Advanced Photon Source von Argonne durch, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science. Die Daten, die durch die Exposition von Zellen mit dieser Schicht gegenüber Röntgenstrahlen gesammelt wurden, ermöglichten es dem Team, die Vorteile der Zwischenschicht zu ermitteln.
Die Daten bestätigten, dass eine redoxaktive Zwischenschicht das Pendeln reduzieren, schädliche Reaktionen innerhalb der Batterie reduzieren und die Kapazität der Batterie erhöhen kann, um mehr Ladung zu halten und mehr Zyklen zu halten. „Diese Ergebnisse zeigen, dass eine redoxaktive Zwischenschicht einen enormen Einfluss auf die Entwicklung von Li-S-Batterien haben könnte“, sagt Wenqian Xu, „Wir sind dem Ziel, diese Technologie in unserem Alltag zu sehen, einen Schritt näher gekommen.“ In Zukunft möchte das Team das Wachstumspotenzial der redoxaktiven Zwischenschichttechnologie bewerten. „Wir wollen versuchen, es viel dünner und leichter zu machen“, sagt Guiliang Xu.
Zusammenfassend schreiben die Forscher: „Wir schlagen ein polares und redoxaktives Zwischenschichtkonzept für hochenergetische und langlebige Li-S-Batterien vor, bei dem Schwefel in eine polare plättchenförmige mesoporöse Kieselsäure eingebettet wird, um eine Zwischenschicht zu bilden. Interessanterweise findet eine Schwefelspeicherung/-einfang am polaren Silica statt, während ein Elektronentransfer am Leitmittel in pOMS/Sx IL während des Ladens/Entladens stattfindet.
„Diese Zwischenschicht erfüllt bei den elektrochemischen Prozessen nicht nur die Aufgabe, das Einschleusen von langkettigen Polysulfiden wirksam zu verhindern, sondern trägt auch dazu bei, die Flächenkapazität zur Zelle zu erhöhen. Die Zelle mit optimaler Zwischenschicht liefert eine Flächenkapazität von >10 mAh cm-2 mit dem Vorteil einer hohen Schwefelbeladung von >10 mg cm-2 und einer stabilen Zyklierbarkeit für 700 Zyklen, selbst bei hohen spezifischen Stromzyklen und niedrigem Elektrolyt/Schwefel-Verhältnis. Diese Eigenschaften können die praktische spezifische Energie von Li-S-Batterien erhöhen.“
Über das Argonne National Laboratory
Argonne ist Amerikas erstes nationales Labor. Es sucht nach Lösungen für drängende nationale Probleme in Wissenschaft und Technologie und betreibt Spitzenforschung in Grundlagenforschung und angewandter Wissenschaft in praktisch allen wissenschaftlichen Disziplinen. Argonne-Forscher arbeiten eng mit Forschern aus Hunderten von Unternehmen, Universitäten und Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um ihnen bei der Lösung ihrer spezifischen Probleme zu helfen, Amerikas wissenschaftliche Führung voranzubringen und die Nation auf eine bessere Zukunft vorzubereiten.
Eine seiner herausragenden Ressourcen ist die Advanced Photon Source-Anlage, die einer vielfältigen Gemeinschaft von Forschern in den Bereichen Materialwissenschaft, Chemie, Physik der kondensierten Materie, Lebens- und Umweltwissenschaften sowie angewandter Forschung hochhelle Röntgenstrahlen zur Verfügung stellt. Diese Röntgenstrahlen eignen sich ideal für die Erforschung von Materialien und biologischen Strukturen; elementare Verteilung; chemische, magnetische, elektronische Zustände; und eine breite Palette von technologisch wichtigen Engineering-Systemen.
Dazu gehören die Einführgeräte, die Röntgenstrahlen mit extremer Helligkeit erzeugen, die von Forschern geschätzt werden, Linsen, die die Röntgenstrahlen auf wenige Nanometer fokussieren, Instrumente, die die Art und Weise maximieren, wie die Röntgenstrahlen mit den zu untersuchenden Proben interagieren, und Software, die sammelt und verwaltet die riesige Menge an Daten, die sich aus der Entdeckungsforschung an der APS ergeben, die maßgeblich zur Unterstützung der oben beschriebenen Lithium-Schwefel-Batterieforschung beigetragen hat.
Lithium-Schwefel-Forschung auf der ganzen Welt
Viele Batterieforscher untersuchen die Machbarkeit von Schwefelbatterien, vor allem weil Schwefel eines der am häufigsten vorkommenden und leicht verfügbaren Materialien auf der Erde ist. Während Lithium-Ionen-Batterien beim Start der EV-Revolution erstaunlich gut abgeschnitten haben, sind sie nur ein Vorläufer der Batterien, die uns in den kommenden Jahren erwarten.
Forscher in Australien erforschen Batterien, die Schwefel mit Natrium kombinieren. Theionm, ein deutsches Batterie-Startup, betreibt ebenfalls Lithium-Schwefel-Forschung und behauptet, solche Batterien könnten die Reichweite von Elektrofahrzeugen verdreifachen. Vor einem Jahr berichteten wir über Forschungsarbeiten an der University of Michigan zu Lithium-Schwefel-Batterien, die bis zu 1000 Lade-/Entladezyklen halten sollen.
Das Problem besteht wie immer darin, fortschrittliche Batterietechnologie aus dem Labor in die kommerzielle Produktion zu bringen. Vor fünf Jahren berichteten wir über Forschungen am MIT, die Lithium-Schwefel-Batterien für Speicheranwendungen im Netzmaßstab versprachen. Unseres Wissens sind bisher noch keine kommerziellen Anwendungen aus dieser Forschung hervorgegangen. Der faszinierende Teil der MIT-Studien war die Behauptung, dass diese Batterien nur 1 % der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien kosten würden. Können Sie sich vorstellen, wie das würde die Versorgungsindustrie stören!
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