Argonne National Lab verbessert die Leistung von Lithium-Schwefel-Batterien

In Forschungsinstituten auf der ganzen Welt wird nach leichteren, kleineren, leistungsstärkeren und kostengünstigeren Batterien gesucht. Das Argonne National Lab in Illinois ist eines davon. Eines seiner zahlreichen Forschungsprojekte untersucht Möglichkeiten zur Herstellung besserer Lithium-Schwefel-Batterien.

Warum die Mühe? Weil Schwefel billig und reichlich vorhanden ist (beides geht normalerweise Hand in Hand). Die Reduzierung der Batteriekosten wird ein Schlüssel zur Herstellung erschwinglicherer Elektrofahrzeuge sein. Außerdem können sie zwei- bis dreimal mehr Energie auf einem bestimmten Raum speichern, was eine größere Reichweite und/oder kleinere Batteriepakete bedeutet, die die gleiche Reichweite wie aktuelle Batterien bieten.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Verwendung von Schwefel kein Kobalt oder Nickel in den Batterien benötigt wird, auf die wir heute für den Antrieb unserer Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme im Netzmaßstab angewiesen sind. Die Suche nach diesen Materialien hat Bedenken hinsichtlich der sozialen Kosten ihres Abbaus geweckt. Eliminieren Sie Kobalt und Nickel aus der Mischung und diese Bedenken verschwinden.

Warum werden Lithium-Schwefel-Batterien nicht allgemein verwendet? Weil sie im Labor gut funktionieren, in der Praxis jedoch die beunruhigende Tendenz haben, nach nur wenigen Lade-/Entladezyklen auszufallen. Die Forscher des Argonne National Lab sagen, dass sie dieses Problem möglicherweise in den Griff bekommen. In gewissem Zusammenhang ist zu verstehen, dass die Forschung in Argonne schon seit einem Jahrzehnt läuft. Diese Dinge brauchen Zeit, und Zeit ist eines der Dinge, von denen wir Menschen wenig haben, wenn wir hoffen, den Geist namens globale Erwärmung wieder in die Flasche zu stecken.

Die zugrunde liegende Ursache für diesen Leistungsabfall liegt in der Auflösung von Schwefel aus der Kathode während der Entladung, was zur Bildung löslicher Lithiumpolysulfide (Li2S6) führt. Diese Verbindungen fließen während des Ladevorgangs in die negative Metallelektrode (Anode) des Lithiummetalls, was das Problem weiter verschärft. Folglich beeinträchtigen der Schwefelverlust aus der Kathode und Veränderungen in der Anodenzusammensetzung die Leistung der Batterie während des Zyklierens erheblich. Sagt Argonne.

Kürzlich haben Argonne-Wissenschaftler ein katalytisches Material entwickelt, das, wenn es der Schwefelkathode in kleinen Mengen zugesetzt wird, das Schwefelverlustproblem im Wesentlichen beseitigt. Während sich dieser Katalysator sowohl in Labor- als auch in kommerziellen Zellen als vielversprechend erwies, blieb seine Funktionsweise auf atomarer Ebene ein Rätsel – bis jetzt. Weitere Untersuchungen halfen, den Prozess zu erklären. Diese Ergebnisse wurden am 6. September in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

In Abwesenheit des Katalysators bilden sich Lithiumpolysulfide an der Kathodenoberfläche und durchlaufen eine Reihe von Reaktionen, die letztendlich die Kathode in Lithiumsulfid (Li2S) umwandeln. „Aber die Anwesenheit einer kleinen Menge Katalysator in der Kathode macht den Unterschied“, sagte . ​„Es folgt ein ganz anderer Reaktionsweg, der frei von Zwischenreaktionsschritten ist.“

Entscheidend ist die Bildung dichter nanoskaliger Blasen aus Lithiumpolysulfiden auf der Kathodenoberfläche, die ohne den Katalysator nicht entstehen. Diese Lithiumpolysulfide breiten sich während der Entladung schnell in der Kathodenstruktur aus und wandeln sich in Lithiumsulfid um, das aus nanoskaligen Kristalliten besteht. Dieser Prozess verhindert den Schwefelverlust und den Leistungsabfall in Zellen kommerzieller Größe.

Um die benötigten Antworten zu erhalten, verwendeten die Wissenschaftler fortschrittliche Charakterisierungstechniken. Analysen der Struktur des Katalysators mit den intensiven Synchrotron-Röntgenstrahlen an der Advanced Photon Source, einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Science, ergaben, dass er eine entscheidende Rolle im Reaktionsweg spielt. Die Katalysatorstruktur beeinflusst die Form und Zusammensetzung des Endprodukts beim Austrag sowie der Zwischenprodukte. Mit dem Katalysator bildet sich bei vollständiger Entladung nanokristallines Lithiumsulfid. Ohne den Katalysator bilden sich stattdessen mikroskalige stäbchenförmige Strukturen.

Die Lithium-Schwefel-Forschung ist global

Wie lange wird es dauern, bis Lithium-Schwefel-Batterien zur Hauptsendezeit bereit sind? Wer weiß? Es können Monate, Jahre oder sogar Jahrzehnte sein. Eine wichtige Lehre daraus ist, dass Forschung nicht im luftleeren Raum stattfindet.

Neben Gui-Liang Sun, Yuzi Liu, Yu Deng, Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun und Hong-Gang Liao. Es gibt nicht viele Smiths und Joneses auf dieser Liste, oder?

Zu den weiteren teilnehmenden Institutionen gehören neben dem Argonne National Lab auch die Xiamen University, die Beijing University of Chemical Technology und die Nanjing University. Die letzten drei befinden sich in China, einem Land, zu dem die USA derzeit eher frostige Beziehungen unterhalten. Viele Amerikaner glauben, dass China das neue Russland ist, das darauf aus ist, die Nation zu zerstören, damit es die Welt mit eiserner Faust regieren kann. Vielleicht ist Xi Jinping der wiedergeborene Nakita Chruschtschow?

Die einfache Wahrheit ist, dass die Krise eines überhitzten Planeten nicht zu den Favoriten gehört und sich weniger um die Politik kümmert. Es wird das Leben auf der Erde, wie wir es kennen, auf eine Weise auf den Kopf stellen, die wir derzeit nur vage verstehen können. Batteriespeicher werden für die Notwendigkeit, alles mit erneuerbarer Energie zu elektrifizieren, von entscheidender Bedeutung sein, um die Schäden durch den Klimawandel zu begrenzen. Um einen Ausspruch aus der Amerikanischen Revolution auszuleihen: „Wir müssen alle zusammenhalten, sonst hängen wir alle getrennt.“

Wissenschaftssprache

Sprache kann ein Hindernis für die Verbreitung von Wissen sein. Es gibt eine urbane Legende über zwei Senatoren – einen Republikaner und einen Demokraten –, die sich einen Tag lang die Aussagen von Wissenschaftlern über einen abstrusen technischen Durchbruch anhörten. Am Ende drehte sich einer zum anderen und sagte: „Haben Sie das alles verstanden?“ Sein Kollege antwortete: „Nein. Kein einziges Wort.“

Was oben besprochen wurde, soll diese Forschung des Argonne National Lab auch denjenigen von uns zugänglich machen, die keine Wissenschaftler sind. Die Zusammenfassung des Artikels, veröffentlicht in Natur ist eher schwer zu entziffern.

Aufgrund ihrer hohen Energiedichte (2.600 Wh/kg) und niedrigen Kosten gelten Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) als vielversprechende Kandidaten für fortschrittliche Energiespeichersysteme. Trotz enormer Anstrengungen zur Unterdrückung des seit langem bestehenden Shuttle-Effekts von Lithiumpolysulfiden ist das Verständnis der Grenzflächenreaktionen von Lithiumpolysulfiden im Nanomaßstab noch immer unklar. Dies liegt hauptsächlich an den Einschränkungen von vor Ort Charakterisierungswerkzeuge zur Verfolgung der Flüssig-Fest-Umwandlung instabiler Lithiumpolysulfide mit hoher zeitlich-räumlicher Auflösung.

Es besteht ein dringender Bedarf, die gekoppelten Phänomene in Li-S-Batterien zu verstehen, insbesondere die dynamische Verteilung, Aggregation, Ablagerung und Auflösung von Lithiumpolysulfiden. Hier haben wir mithilfe der elektrochemischen In-situ-Flüssigkeitszellen-Transmissionselektronenmikroskopie die Umwandlung von Lithiumpolysulfiden über Elektrodenoberflächen auf atomarer Ebene direkt visualisiert.

Bemerkenswert ist, dass ein unerwarteter, durch die Sammlung induzierter kollektiver Ladungstransfer von Lithiumpolysulfiden auf der Oberfläche mit immobilisierten Nanocluster-aktiven Zentren eingefangen wurde. Darüber hinaus wurde eine sofortige Abscheidung von Li2S-Nanokristallen im Nichtgleichgewicht aus der dichten flüssigen Phase von Lithiumpolysulfiden induziert. Ohne Vermittlung aktiver Zentren folgten die Reaktionen einem klassischen Einzelmolekülweg, wobei sich Lithiumpolysulfide Schritt für Schritt in Li2S2 und Li2S umwandelten.

Molekulardynamiksimulationen zeigten, dass die elektrostatische Wechselwirkung über große Entfernungen zwischen aktiven Zentren und Lithiumpolysulfiden die Bildung einer dichten Phase bestehend aus Li+ und Sn2− (2 < n ≤ 6) förderte, und der kollektive Ladungstransfer in der dichten Phase wurde weiter verifiziert von Anfang an Molekulardynamiksimulationen. Der kollektive Reaktionsweg an der Grenzfläche enthüllt einen neuen Transformationsmechanismus und vertieft das grundlegende Verständnis von Li-S-Batterien.

Es genügt zu sagen, dass Lithium-Schwefel-Batterien mit einer Energiedichte von bis zu 2.600 Wh/kg die Batteriespeicherung auf eine Weise verändern würden, die sich auf jeden Menschen auf der Erde auswirken könnte. Die typische Zeit für den Übergang neuer Technologien vom Labor in die kommerzielle Produktion beträgt zehn Jahre, was bedeutet, dass wir etwa im Jahr 2034 die ersten Autos und Lastwagen mit Lithium-Schwefel-Batterien sehen könnten – wenn die globalen Supermächte uns nicht vorher alle in Stücke gerissen haben .