05.06.2020 - Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)

Ungewöhnliche Materialwahl ergibt unglaublich langlebige Batterien

Nichtleitendes Siliciumdioxid könnte der Schlüssel zur Realisierung der nächsten Generation von Lithium-Schwefel-Batterien sein

Die enorme Zunahme des Einsatzes von Mobiltechnologie, tragbarer Elektronik und einer breiten Palette von tragbaren Geräten im Allgemeinen in den letzten Jahrzehnten hat Wissenschaftler weltweit dazu veranlasst, nach dem nächsten Durchbruch bei wiederaufladbaren Batterien zu suchen. Lithium-Schwefel-Batterien (LSBs) - bestehend aus einer schwefelbasierten Kathode und einer Lithium-Anode, die in einen flüssigen Elektrolyten eingetaucht sind - sind aufgrund ihrer niedrigen Kosten und der Ungiftigkeit und des Reichtums an Schwefel vielversprechende Kandidaten, um die allgegenwärtige Lithium-Ionen-Batterie zu ersetzen.

Die Verwendung von Schwefel in Batterien ist jedoch aus zwei Gründen heikel. Erstens bilden sich während des "Entladungs"-Zyklus lösliche Lithiumpolysulfide (LiPS) an der Kathode, diffundieren in den Elektrolyten und gelangen leicht zur Anode, wo sie die Kapazität der Batterie allmählich abbauen. Zweitens ist Schwefel nicht leitend. Daher ist ein leitfähiges und poröses Wirtsmaterial erforderlich, um Schwefel aufzunehmen und gleichzeitig LiPS an der Kathode einzufangen. In der jüngsten Vergangenheit wurden kohlenstoffbasierte Wirtsstrukturen aufgrund ihrer Leitfähigkeit erforscht. Allerdings können kohlenstoffbasierte Wirte LiPS nicht einschließen.

In einer kürzlich in Advanced Energy Materials veröffentlichten Studie schlugen Wissenschaftler des Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology eine neuartige Wirtsstruktur vor, die als "platelet ordered mesoporous silica (pOMS)" bezeichnet wird. Das Ungewöhnliche an ihrer Wahl ist, dass Siliciumdioxid, ein kostengünstiges Metalloxid, eigentlich nicht leitend ist. Kieselsäure ist jedoch hochpolar und zieht andere polare Moleküle wie LiPS an.

Beim Aufbringen eines leitfähigen kohlenstoffbasierten Mittels auf die POMS-Struktur löst sich der anfänglich feste Schwefel in den Poren der Struktur in den Elektrolyten auf, von wo er dann in Richtung des leitfähigen kohlenstoffbasierten Mittels diffundiert, um reduziert zu werden und LiPS zu erzeugen. Auf diese Weise nimmt der Schwefel trotz der Nichtleitfähigkeit des Siliciumdioxids effektiv an den notwendigen elektrochemischen Reaktionen teil. In der Zwischenzeit sorgt die polare Natur des POMS dafür, dass das LiPS nahe an der Kathode und von der Anode entfernt bleibt.

Die Wissenschaftler konstruierten auch eine analoge unpolare, hoch leitfähige, konventionelle poröse Kohlenstoff-Wirtsstruktur, um vergleichende Experimente mit der POMS-Struktur durchzuführen. Prof. Jong-Sung Yu, der die Studie leitete, bemerkt dazu: "Die Batterie mit dem Kohlenstoffwirt weist eine hohe Anfangskapazität auf, die aufgrund der schwachen Wechselwirkung zwischen unpolarem Kohlenstoff und LiPS bald abnimmt. Die Siliciumdioxidstruktur hält deutlich mehr Schwefel während kontinuierlicher Zyklen zurück; dies führt zu einer viel größeren Kapazitätserhaltung und Stabilität über bis zu 2000 Zyklen".

All dies in Betracht gezogen, ist die vielleicht wichtigste Erkenntnis, die sich aus dieser Studie ableiten lässt, dass Wirtsstrukturen für LSBs nicht so leitfähig sein müssen, wie bisher angenommen. Prof. Yu kommentiert: "Unsere Ergebnisse sind überraschend, denn niemand hätte jemals gedacht, dass nichtleitendes Siliciumdioxid ein hocheffizienter Schwefelwirt sein und sogar moderne Kohlenstoffwirte übertreffen könnte". Diese Studie erweitert die Auswahl der Wirtsmaterialien für LSBs und könnte zu einem Paradigmenwechsel bei der Realisierung von Schwefelbatterien der nächsten Generation führen.

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