Amerikas wachsende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) hat die große Herausforderung der nachhaltigen Beschaffung der Batterietechnologie deutlich gemacht, die für die breite Umstellung auf erneuerbare Energien und weg von fossilen Brennstoffen erforderlich ist. In der Hoffnung, Batterien herzustellen, die nicht nur eine bessere Leistung als die derzeit in Elektrofahrzeugen verwendeten, sondern auch aus leicht verfügbaren Materialien bestehen, hat eine Gruppe von Chemieingenieuren der Drexel University einen Weg gefunden, Schwefel in Lithium-Ionen-Batterien einzubringen – mit erstaunlichen Ergebnissen.
Da sich der weltweite Absatz von Elektrofahrzeugen im Jahr 2021 mehr als verdoppelt, Die Preise für Batteriematerialien wie Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt stiegen stark an und Lieferketten für diese Rohstoffe, die größtenteils aus anderen Ländern bezogen werden, gerieten durch die Pandemie in Engpässe. Dies lenkte auch die Aufmerksamkeit auf die Hauptlieferanten der Rohstoffe: Länder wie Kongo und China; und aufgeworfene Fragen über die Auswirkungen auf Mensch und Umwelt sie aus der Erde zu holen.
Lange vor dem Aufschwung bei Elektrofahrzeugen und der Verknappung von Batteriematerial war die Entwicklung einer kommerziell rentablen Schwefelbatterie der nachhaltige, leistungsstarke weiße Wal der Batterieindustrie. Dies liegt an der natürlichen Häufigkeit und chemischen Struktur von Schwefel, die es ihm ermöglichen würde, mehr Energie zu speichern. Ein neuer Durchbruch von Forschern in Drexel’s Hochschule für Ingenieurein der Zeitschrift veröffentlicht Kommunikationschemie, bietet eine Möglichkeit, die Hindernisse zu umgehen, die Li-S-Batterien in der Vergangenheit gedämpft haben, und bringt die begehrte Technologie endlich in kommerzielle Reichweite.
Ihre Entdeckung ist eine neue Methode zur Herstellung und Stabilisierung einer seltenen Form von Schwefel, die in Karbonatelektrolyten funktioniert – der Energietransportflüssigkeit, die in kommerziellen Li-Ionen-Batterien verwendet wird. Diese Entwicklung würde Schwefelbatterien nicht nur wirtschaftlich rentabel machen, sondern sie hätten auch die dreifache Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien und eine Lebensdauer von mehr als 4.000 Aufladungen – das entspricht einer Nutzungsdauer von 10 Jahren, was ebenfalls eine erhebliche Verbesserung darstellt.
„Schwefel ist seit einigen Jahren für die Verwendung in Batterien sehr wünschenswert, da er auf der Erde reichlich vorhanden ist und auf sichere und umweltfreundliche Weise gesammelt werden kann, und wie wir jetzt gezeigt haben, hat er auch das Potenzial, die Leistung von Batterien in Elektrofahrzeugen und Mobilgeräten auf wirtschaftlich vertretbare Weise“, sagte Drexel’s Vibha Kalra, PhDGeorge B. Francis Lehrstuhlprofessor am College Institut für Chemie- und Bioingenieurwesender die Untersuchung leitete.
Die Herausforderung beim Einbringen von Schwefel in eine Lithiumbatterie mit kommerziell verträglichem Karbonatelektrolyt war eine irreversible chemische Reaktion zwischen Schwefelzwischenprodukten, den sogenannten Polysulfiden, und dem Karbonatelektrolyt. Aufgrund dieser nachteiligen Reaktion führten frühere Versuche, eine Schwefelkathode in einer Batterie mit einer Karbonat-Elektrolytlösung zu verwenden, zu einem nahezu sofortigen Abschalten und einem vollständigen Ausfall der Batterie nach nur einem Zyklus.
Li-S-Batterien haben bereits in experimentellen Umgebungen mit einem Etherelektrolyten – anstelle von Karbonat – eine außergewöhnliche Leistung gezeigt, da Ether nicht mit Polysulfiden reagiert. Diese Batterien wären jedoch nicht kommerziell rentabel, da der Etherelektrolyt sehr flüchtig ist und Bestandteile mit einem Siedepunkt von nur 42 Grad Celsius enthält, was bedeutet, dass jede Erwärmung der Batterie über Raumtemperatur zu einem Ausfall oder einer Kernschmelze führen könnte.
„In den letzten zehn Jahren hat die Mehrheit der Li-S-Felder Etherelektrolyte eingeführt, um die nachteiligen Reaktionen mit Karbonat zu vermeiden“, sagte Kalra. „Dann tauchten die Forscher im Laufe der Jahre tief in die Leistungssteigerung von Schwefelbatterien auf Etherbasis ein, indem sie die sogenannte Polysulfid-Shuttle/Diffusion abschwächten – aber das Feld übersah völlig die Tatsache, dass der Etherelektrolyt selbst ein Problem darstellt. Bei unserer Arbeit bestand das Hauptziel darin, Ether durch Karbonat zu ersetzen, aber dabei haben wir auch Polysulfide eliminiert, was auch bedeutete, dass kein Pendeln auftritt, sodass die Batterie über Tausende von Zyklen eine außergewöhnlich gute Leistung erbringen konnte.“
Frühere Forschung von Kalras Team ging das Problem ebenfalls auf diese Weise an – die Herstellung einer Kohlenstoff-Nanofaser-Kathode, die den Shuttle-Effekt in etherbasierten Li-S-Batterien verlangsamte, indem sie die Bewegung von intermediären Polysulfiden einschränkte. Aber um den kommerziellen Weg der Kathoden zu verbessern, erkannte die Gruppe, dass sie mit einem kommerziell brauchbaren Elektrolyt funktionieren mussten.
Die Forscher berichteten über eine Möglichkeit, eine seltene Form von Schwefel in einer Kathode zu stabilisieren, die es ihr ermöglichen würde, in dem in kommerziellen Li-Ionen-Batterien verwendeten Karbonatelektrolyten zu funktionieren. Bisher ist Schwefel mit dem Elektrolyten auf eine leistungsmindernde Reaktion gestoßen, die seine kommerzielle Lebensfähigkeit eingeschränkt hat. Die Einbeziehung von Schwefel in Batterien könnte ihre Kapazität erhöhen, die Lebensdauer verlängern und eine nachhaltige Alternative zu aktuellen Kathodenmaterialien wie Kobalt, Nickel und Mangan darstellen.
„Eine Kathode zu haben, die mit dem bereits verwendeten Karbonatelektrolyten funktioniert, ist für kommerzielle Hersteller der Weg des geringsten Widerstands“, sagte Kalra. „Anstatt auf die Einführung eines neuen Elektrolyten durch die Industrie zu drängen, war es unser Ziel, eine Kathode herzustellen, die im bereits bestehenden Li-Ionen-Elektrolytsystem funktionieren kann.“
In der Hoffnung, die Bildung von Polysulfiden zu eliminieren, um die nachteiligen Reaktionen zu vermeiden, versuchte das Team, Schwefel mithilfe einer Dampfabscheidungstechnik im Kohlenstoff-Nanofaser-Kathodensubstrat einzuschließen. Obwohl es diesem Verfahren nicht gelang, den Schwefel in das Nanofasernetz einzubetten, bewirkte es etwas Außergewöhnliches, das sich zeigte, als das Team begann, die Kathode zu testen.
„Als wir mit dem Test begannen, lief es wunderbar – etwas, das wir nicht erwartet hatten. Tatsächlich haben wir es immer wieder getestet – mehr als 100 Mal – um sicherzustellen, dass wir wirklich das sehen, was wir zu sehen glaubten“, sagte Kalra. „Die Schwefelkathode, von der wir vermuteten, dass sie die Reaktion zum Stillstand bringen würde, hat tatsächlich erstaunlich gut funktioniert, und das immer wieder, ohne Pendeln zu verursachen.“
Bei weiteren Untersuchungen stellte das Team fest, dass während des Prozesses der Abscheidung von Schwefel auf der Kohlenstoff-Nanofaseroberfläche – der Umwandlung von einem Gas in einen Feststoff – dieser auf unerwartete Weise kristallisierte und eine leichte Variation des Elements bildete, genannt monokliner Gamma-Phasen-Schwefel . Diese chemische Phase des Schwefels, die mit dem Karbonatelektrolyten nicht reagiert, wurde bisher nur bei hohen Temperaturen in Labors erzeugt und wurde in der Natur nur in der extremen Umgebung von Ölquellen beobachtet.
„Zunächst war es schwer zu glauben, dass wir das entdeckt haben, denn in allen bisherigen Forschungen war monokliner Schwefel unter 95 Grad Celsius instabil“, sagte Rahul Pai, Doktorand am Department of Chemical and Biological Engineering und Co-Autor der Forschung. „Im letzten Jahrhundert gab es nur eine Handvoll Studien, die monoklinen Gamma-Schwefel produzierten, und er war höchstens 20 bis 30 Minuten lang stabil. Aber wir hatten es in einer Kathode geschaffen, die Tausende von Lade-Entlade-Zyklen ohne Leistungsabfall durchlief – und ein Jahr später zeigt unsere Untersuchung, dass die chemische Phase dieselbe geblieben ist.“
Nach mehr als einem Jahr Test bleibt die Schwefelkathode stabil und, wie das Team berichtete, hat ihre Leistung in 4.000 Lade-Entlade-Zyklen nicht nachgelassen, was 10 Jahren regelmäßiger Nutzung entspricht. Und wie vorhergesagt, ist die Kapazität des Akkus mehr als dreimal so hoch wie die eines Li-Ion-Akkus.
„Während wir immer noch daran arbeiten, den genauen Mechanismus hinter der Entstehung dieses stabilen monoklinen Schwefels bei Raumtemperatur zu verstehen, bleibt dies eine aufregende Entdeckung und eine, die eine Reihe von Türen für die Entwicklung einer nachhaltigeren und erschwinglicheren Batterietechnologie öffnen könnte“, sagte Kalra.
Das Ersetzen der Kathode in Li-Ionen-Batterien durch eine Schwefelkathode würde die Notwendigkeit der Beschaffung von Kobalt, Nickel und Mangan verringern. Die Vorräte an diesen Rohstoffen sind begrenzt und können nicht ohne weiteres gewonnen werden, ohne Gesundheits- und Umweltrisiken zu verursachen. Schwefel hingegen kommt überall auf der Welt vor und kommt in den Vereinigten Staaten in großen Mengen vor, weil es ein Abfallprodukt der Erdölförderung ist.
Kalra schlägt vor, dass eine stabile Schwefelkathode, die im Karbonatelektrolyten funktioniert, es den Forschern auch ermöglichen wird, bei der Untersuchung von Ersatzstoffen für die Lithiumanode voranzukommen – was auf der Erde reichlichere Optionen wie Natrium umfassen könnte.
„Die Abkehr von der Abhängigkeit von Lithium und anderen Materialien, die teuer und schwer aus der Erde zu gewinnen sind, ist ein entscheidender Schritt für die Entwicklung von Batterien und die Erweiterung unserer Fähigkeit, erneuerbare Energiequellen zu nutzen“, sagte Kalra. „Die Entwicklung einer brauchbaren Li-S-Batterie eröffnet eine Reihe von Wegen, um diese Materialien zu ersetzen.“
Neben Kalra und Pai, Maureen Tang, PhD, ein außerordentlicher Professor; und Arvinder Singh, PhD, ein Postdoktorand; alle im Department of Chemical and Biological Engineering des Drexel College of Engineering, trugen zu dieser Forschung bei. Es wurde vom Drexel Ventures Innovation Fund und der National Science Foundation unterstützt.
Lesen Sie hier das vollständige Papier: https://www.nature.com/articles/s42004-022-00626-2
Mit freundlicher Genehmigung von Drexel jetzt.
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