15.09.2021 - Monash University

Ein Löffel Zucker öffnet den Weg zu Lithium-Schwefel-Batterien mit längerer Lebensdauer

"In weniger als einem Jahrzehnt könnte diese Technologie zu Fahrzeugen wie Elektrobussen und -lastwagen führen, die von Melbourne nach Sydney fahren können, ohne aufgeladen zu werden"

Durch die Zugabe von Zucker haben Forscher des Monash Energy Institute einen langlebigeren, leichteren und nachhaltigeren Konkurrenten zu den Lithium-Ionen-Batterien geschaffen, die für die Luftfahrt, Elektrofahrzeuge und U-Boote unerlässlich sind.

Das Monash-Team, das von CSIRO unterstützt wurde, berichtet in Nature Communications, dass es ihnen gelungen ist, die Lithium-Schwefel-Batterietechnologie, die lange Zeit als Grundlage für die nächste Generation von Batterien angepriesen wurde, mit einem Zusatzstoff auf Glukosebasis an der positiven Elektrode zu stabilisieren.

"In weniger als einem Jahrzehnt könnte diese Technologie zu Fahrzeugen wie Elektrobussen und -lastwagen führen, die von Melbourne nach Sydney fahren können, ohne nachgeladen werden zu müssen. Sie könnte auch Innovationen bei Liefer- und Landwirtschaftsdrohnen ermöglichen, bei denen geringes Gewicht von größter Bedeutung ist", sagt der Hauptautor Professor Mainak Majumder vom Fachbereich Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und stellvertretender Direktor des Monash Energy Institute.

Theoretisch könnten Lithium-Schwefel-Batterien zwei- bis fünfmal mehr Energie speichern als Lithium-Ionen-Batterien mit demselben Gewicht. Das Problem bestand darin, dass sich die Elektroden im Gebrauch schnell verschlechterten und die Batterien kaputt gingen. Dafür gab es zwei Gründe: Die positive Schwefelelektrode wurde durch starke Ausdehnung und Kontraktion geschwächt und war für das Lithium unzugänglich, und die negative Lithiumelektrode wurde durch Schwefelverbindungen verunreinigt.

Letztes Jahr hat das Monash-Team gezeigt, dass es die Struktur der Schwefelelektrode öffnen kann, um eine Ausdehnung zu ermöglichen und sie für Lithium zugänglicher zu machen. Jetzt haben sie den Schwefel durch den Einbau von Zucker in die netzartige Architektur der Elektrode stabilisiert, so dass er sich nicht mehr bewegen und die Lithiumelektrode bedecken kann.

Die vom Team konstruierten Testzellen-Prototypen haben eine Lebensdauer von mindestens 1000 Lade-/Entladezyklen und verfügen dennoch über eine weitaus höhere Kapazität als entsprechende Lithium-Ionen-Batterien. "Jede Ladung hält also länger, was die Lebensdauer der Batterie verlängert", sagt Erstautor und Doktorand Yingyi Huang. "Und für die Herstellung der Batterien werden keine exotischen, giftigen und teuren Materialien benötigt."

Yingyi und ihre Kollegen ließen sich von einem geochemischen Bericht aus dem Jahr 1988 inspirieren, in dem beschrieben wird, wie Substanzen auf Zuckerbasis dem Abbau in geologischen Sedimenten widerstehen, indem sie starke Bindungen mit Sulfiden eingehen.

Dr. Mahdokht Shaibani, Zweitautorin und Monash-Forscherin, sagt: "Während unser Team viele der Herausforderungen auf der Kathodenseite der Batterie gelöst hat, bedarf es noch weiterer Innovationen beim Schutz der Lithiummetallanode, um diese vielversprechende Technologie in großem Maßstab einsetzen zu können - Innovationen, die vielleicht schon bald zur Verfügung stehen."

Das Verfahren wurde vom Monash-Team unter maßgeblicher Mitwirkung der Forschungsgruppe von Dr. Matthew Hill vom CSIRO Manufacturing entwickelt.

Das Lithium-Schwefel-Batterie-Forschungsprogramm an der Monash University wurde von der Commonwealth-Regierung durch den Australian Research Council und das Ministerium für Industrie, Innovation und Wissenschaft unterstützt. Darüber hinaus wurden die Arbeiten auch von Cleanfuture Energy, Australien, einer australischen Tochtergesellschaft der Enserv-Gruppe aus Thailand, unterstützt.

Enserv Australia hofft, die Batterien in Australien, dem größten Lithiumproduzenten der Welt, entwickeln und herstellen zu können. "Wir wollen die Technologie nutzen, um in den wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge und elektronische Geräte einzusteigen", sagt Mark Gustowski, Geschäftsführer von Enserv Australia. "Wir planen, innerhalb von etwa fünf Jahren die ersten Lithium-Schwefel-Batterien in Australien mit australischem Lithium herzustellen."

Enserv ist ein Unternehmen für Energieforschung und -innovation, das zwei Kerngeschäfte umfasst: Clean Energy Innovation und Clean Energy Generation.

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