01.10.2021 - POSTECH - Pohang University of Science and Technology

30-minütige Synthese von Kathodenmaterialien für flexible Lithium-Schwefel-Batterien

Innovative Lithium-Schwefel-Batterie bietet hohe Energiedichte, schnelles Aufladen und mechanische Flexibilität

Faltbare Mobiltelefone werden heutzutage immer beliebter. Mit der zunehmenden Beliebtheit solcher intelligenten, flexiblen Geräte und Elektrofahrzeuge steigt auch die Nachfrage nach Energiespeichersystemen mit hoher Energie, langer Lebensdauer und schneller Aufladung. Die derzeitigen Lithium-Ionen-Batterietechnologien können diesen Bedarf nicht decken, so dass sich der Schwerpunkt zunehmend auf die nächste Generation von Batterien verlagert. Kürzlich gelang es einem Forschungsteam am POSTECH, in nur 30 Minuten ein Lithium-Schwefel-Batteriekathodenmaterial zu synthetisieren, indem Schwefel verwendet wurde, der als Nebenprodukt bei der Ölraffinerieverarbeitung anfällt.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Moon Jeong Park und Doktorand Haneol Kang vom POSTECH-Fachbereich Chemie hat eine innovative Lithium-Schwefel-Batterie (Li-S) entwickelt, die eine hohe Energiedichte, schnelle Aufladung und mechanische Flexibilität bietet. Dies ist die erste Synthese von schwefelreichen hierarchisch geordneten Copolymeren durch eine inverse Vulkanisation mit einer schnellen Reaktionszeit von weniger als 30 Minuten ohne Verwendung von Tensiden oder sterischen Stabilisatoren.

Im Gegensatz zu den derzeit verwendeten hochtoxischen Kathodenmaterialien auf Basis von Übergangsmetallen zieht Schwefel aufgrund seiner geringen Kosten, seines natürlichen Vorkommens und seiner geringen Toxizität die Aufmerksamkeit auf sich. Insbesondere die Li-S-Batterie hat eine hohe theoretische Energiedichte (2.600Wh kg-1) und eine hohe Kapazität (1672mAh g-1), was ihr Potenzial als Batterie der nächsten Generation zeigt. Allerdings hat Schwefel eine grundsätzlich niedrige elektrische Leitfähigkeit, was die vollständige Ausnutzung der aktiven Materialien behindert und die Lade-/Entladezyklen verlangsamt. Ein weiterer Nachteil ist die hohe Löslichkeit in Elektrolyten, was die Lebensdauer der Batterie verringert.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, verwendete das Forscherteam nicht wie bei der herkömmlichen Schwefelelektrode das Schmelzdiffusionsverfahren, sondern führte eine Copolymerisation unter Verwendung der umgekehrten Vulkanisation von Schwefel und Vinylphosphonsäure (VPA) durch, um in nur 30 Minuten schwefelbasierte Polymerpartikel zu synthetisieren. Die resultierenden Schwefelpartikel bestehen aus phasengetrenntem α-Schwefel und einem Schwefel-VPA-Netzwerk (SVPA) auf der Grundlage von Schwefelallotropen niedriger Dichte.

Der Schlüssel zur Bildung gleichmäßig großer, hierarchisch geordneter Partikel in kurzer Zeit ist die autokatalytische Reaktion zwischen Schwefelradikalen und VPA. Zu Beginn der Reaktion werden lange Schwefelketten gebildet, an die VPA gebunden ist, um die kugelförmige Form von SVPA ohne ein Tensid zu stabilisieren. Interessanterweise wurde nachgewiesen, dass sich auf der Oberfläche der SVPA-Partikel spontan Falten und Poren wie bei der menschlichen Haut bilden, was das Eindringen des Elektrolyten in die Kathode erleichtert und gleichzeitig die mechanische Belastung der Elektrodenoberfläche verringert.

Dadurch konnten die Forscher nachweisen, dass es möglich ist, auf der Grundlage einer einfachen Synthesemethode eine poröse Struktur in das aktive Material selbst einzubringen, um das Eindringen des Elektrolyten zu erleichtern, und die mechanische Integrität der Elektrode zu verbessern, indem Schwefelallotrope in SVPA-Gerüste mit geringer Volumenausdehnung eingebettet werden. Darüber hinaus verhinderten die Forscher wirksam die Auswaschung von Lithiumpolysulfid durch die auf der Oberfläche des aktiven Materials reichlich vorhandenen funktionellen Phosphonsäuregruppen und erreichten so hervorragende Eigenschaften von Lithium-Schwefel-Batterien. Das aktive Material selbst verfügt über eine ausgezeichnete Elastizität und den Vorteil, ein vernetztes Polymer zu sein, was sein Potenzial als flexible Elektrode unter Beweis stellt.

"In dieser Studie wurde eine flexible Lithium-Schwefel-Batterie entwickelt, indem ein invers vulkanisiertes Polymer mit reichlich Phosphonsäuregruppen auf kostengünstige und umweltfreundliche Weise synthetisiert wurde", erklärte Professor Moon Jeong Park, der die Studie leitete. "Die Ergebnisse sind insofern von Bedeutung, als sie Lithium-Polysulfide chemisch einschließen und damit das Problem der Elution lösen, das die Kommerzialisierung behindert hat, und den potenziellen Einsatz in Batterien für tragbare Geräte erhöhen, indem sie der Schwefelkathode flexible Eigenschaften verleihen, was bisher nur schwer zu realisieren war."

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