10.02.2022 - National University of Pusan

Haltbarkeit von Lithium-Schwefel-Batterien mit Farbstoffen verbessert

Ein Beschichtungsmaterial auf der Basis von Methylenblau könnte eine hohe Leistung dieser Batterien gewährleisten

Viele aufkommende Technologien im Zusammenhang mit nachhaltiger Energie, wie Energiespeichersysteme im Netzmaßstab und Elektroautos, erfordern leistungsstarke wiederaufladbare Batterien. Leider haben herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) ihre theoretische Grenze fast erreicht und müssen durch Batterien mit höherer theoretischer Kapazität und Energiedichte ersetzt werden.

Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) gelten als die potenziell beste Option für wiederaufladbare Batterien der nächsten Generation, nicht nur wegen ihrer viel höheren Energiedichte als LIBs, sondern auch wegen ihrer relativ geringeren Kosten dank der Verwendung von Schwefel, einem häufig vorkommenden Material. Li-S-Batterien leiden jedoch unter einigen wichtigen Problemen, die gelöst werden müssen, bevor sie kommerziell nutzbar werden können. Dieses Phänomen führt dazu, dass im Laufe der Zeit lange Schwefelketten aus der Kathode austreten und die Kapazität der Batterie mit jedem Lade-/Entladezyklus dauerhaft verschlechtern.

Glücklicherweise hat ein Team von Wissenschaftlern der Pusan National University in Südkorea in einer aktuellen Studie einen effizienten Weg gefunden, den Shuttling-Effekt abzuschwächen und die Leistung von Li-S-Batterien zu verbessern. Dieser Artikel wurde am 29. September 2021 online gestellt und wird am 15. Februar 2022 in Band 430 des Chemical Engineering Journal veröffentlicht.

Unter der Leitung von Professor Seung Geol Lee, Assistenzprofessor Jin Hong Lee und Associate Professor Oi Lun Li entwickelte das Team einen innovativen Ansatz, bei dem ein gewöhnlicher organischer Farbstoff namens Methylenblau als Vorläufer für ein neuartiges Beschichtungsmaterial für den Separator von Li-S-Batterien verwendet wurde. Das Verfahren bestand darin, den Farbstoff in Anilin, einem kohlenstoffhaltigen Lösungsmittel, aufzulösen und das Gemisch einer Plasmatechnik mit anschließender Wärmebehandlung zu unterziehen. Auf diese Weise entstand ein poröses Kohlenstoffmaterial, das sowohl mit Stickstoff als auch mit Schwefel dotiert war - zwei Elemente, die bereits in Methylenblau enthalten sind - und das für den Separator zwischen der Batteriekathode und der Anode verwendet werden konnte.

Dank des hohen Gehalts an Heteroelementen (andere Elemente als Kohlenstoff) (10 %) des durch dieses Verfahren erhaltenen dotierten Kohlenstoffmaterials konnte der Polysulfid-Shuttle-Effekt stark abgeschwächt werden, wie die Wissenschaftler in verschiedenen Experimenten demonstrierten. Dies wiederum ermöglichte es ihnen, haltbarere Li-S-Batterien mit besseren elektrochemischen Leistungen herzustellen. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass Methylenblau und möglicherweise auch andere Farbstoffe für Energiespeichersysteme der nächsten Generation nützlich sein können", bemerkt Prof. Lee.

Insgesamt könnte diese Studie Wissenschaftler auf der ganzen Welt dazu motivieren, sich mit anderen möglichen Anwendungen organischer Farbstoffe außerhalb der Textilfärbung zu befassen. Prof. Lee spekuliert: "Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse einen großen Beitrag zur Herstellung nicht nur von Lithium-Schwefel-Batterien, sondern auch von verschiedenen anderen Energiespeichersystemen wie Natrium-Ionen-Batterien leisten werden, in denen Kohlenstoffmaterialien verwendet werden können."

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