24.06.2022 - Tsinghua University

Neue Strategie zur deutlichen Verbesserung der Leistung von Lithium-Schwefel-Batterien

Forscher entwickelten einen Schwefel-Oxidations-Reduktions-Mediator (Redox), um die träge Reaktionskinetik der Lithium-Schwefel-Batterie zu verbessern, die die Energiedichte der Batterie begrenzt hat

Lithium-Schwefel-Batterien sind aufgrund ihrer extrem hohen theoretischen Energiedichte vielversprechend als Energiespeicher der nächsten Generation. Die tatsächliche Energiedichte von Lithium-Schwefel-Batterien ist jedoch weit vom theoretischen Wert entfernt, da die Kathode aufgrund der trägen Kinetik der Schwefel-Oxidations-Reduktions-Reaktionen (Redox) stark eingeschränkt ist. Das Forscherteam hat eine wirksame Redox-Vermittlungsstrategie entwickelt, die Lithium-Schwefel-Batterien den Weg zur praktischen Anwendung ebnet.

Lithiumbatterien sind heute weit verbreitet in Anwendungen, die von tragbarer Elektronik über Elektrofahrzeuge bis hin zu Energiespeichersystemen im Netzbereich reichen. Unter den verschiedenen Lithiumbatterien haben sich Lithium-Ionen-Batterien am meisten durchgesetzt. Lithium-Ionen-Batterien nähern sich jedoch ihrer theoretischen Energiedichtegrenze und können mit den Anforderungen von Energiespeichern mit hoher Energiedichte nicht Schritt halten.

Lithium-Schwefel-Batterien mit ihrer ultrahohen theoretischen Energiedichte von 2600 Wh kg-1 ziehen als mögliche Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien große Aufmerksamkeit auf sich. Neben ihrem Potenzial für eine hohe Energiedichte ist der als aktives Material in der Kathode verwendete Schwefel natürlich reichlich vorhanden, umweltfreundlich und kostengünstig.

Allerdings gibt es noch eine große Hürde zu überwinden. Die hohe theoretische Energiedichte in Lithium-Schwefel-Batterien ist auf die Reaktionen zwischen der Schwefelkathode und der Lithiumanode zurückzuführen. Während des Entladevorgangs, wenn die chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, wird der Schwefel in gelöste Lithiumpolysulfide und dann in festes Lithiumsulfid reduziert. Während dieses Umwandlungsprozesses ist die Kinetik, d. h. die Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen, jedoch sehr träge. Diese Trägheit würde sich unter den rauen Arbeitsbedingungen in der Praxis noch verschlimmern.

Um dieses Problem der trägen Kinetik zu lösen, haben die Forscher eine Reihe von Promotoren entwickelt, die die Reaktionen der Batterie verbessern sollen. Diese Promotoren dienen als Schwefelwirte oder Zwischenschichtmaterialien in den Lithium-Schwefel-Batterien und sollen die Kinetik der Batterien fördern. Doch auch mit diesen Promotoren nimmt die Batterieleistung allmählich ab, da sich feste Lithiumsulfidablagerungen auf den elektrokatalytisch aktiven Stellen ansammeln.

Bei weiteren Untersuchungen haben die Forscher festgestellt, dass lösliche Redox-Mediatoren die Kinetik wirksam fördern. Redox, kurz für Oxidation-Reduktion, beschreibt die stattfindenden chemischen Reaktionen. Diese Redox-Mediatoren reduzieren oder oxidieren die Lithium-Polysulfide chemisch und regenerieren sich dann an der Oberfläche der Elektrode. Die Forscher haben bewiesen, dass der Einsatz von Redox-Mediatoren ein wirksamer Mechanismus ist, um die träge Kinetik in Knopfzellenbatterien zu überwinden. Knopfzellen sind kleine, flache Batterien, die in kleineren Geräten wie Hörgeräten, Autoschlüsseln oder medizinischen Implantaten verwendet werden. Als Nächstes wurde ein Redox-Mediator benötigt, der auch in Lithium-Batterien mit Beutelzellen funktioniert, die für Anwendungen mit höherer Leistung, z. B. im Militär- und Automobilbereich, verwendet werden.

Das Forschungsteam sah es als dringend notwendig an, einen fortschrittlichen Redox-Mediator zu entwickeln, der für praktisch funktionierende Lithium-Schwefel-Pouch-Zellen geeignet ist. Daher entwickelte das Forschungsteam einen Redox-Mediator unter Verwendung eines organischen Moleküls namens 5,7,12,14-Pentacenetetron (PT), um die Schwefel-Redox-Kinetik in Lithium-Schwefel-Beutelzellen mit hoher Energiedichte zu fördern. "Konkret bietet der PT-Redoxvermittler einen chemischen Bypass für die Reduktion von Lithiumpolysulfid zu Lithiumsulfid, wodurch der Reaktionswiderstand verringert und die Ablagerungskapazität verbessert wird", sagte Bo-Quan Li, ein akademischer Forscher am Beijing Institute of Technology. Die Arbeit des Teams liefert einen wirksamen Redox-Mediator für die Polysulfid-Reduktion mit schneller Kinetik und verifiziert das Anwendungspotenzial fortschrittlicher Redox-Mediatoren in praktischen Lithium-Schwefel-Batterien mit hoher Energiedichte.

Der nächste Schritt der Forscher wird darin bestehen, fortschrittlichere Redox-Mediatoren für eine umfassende Regulierung der Schwefel-Redox-Kinetik an der Kathode zu entwickeln. Mit diesen fortschrittlichen Mediatoren könnte die Lithium-Metall-Anode geschützt werden, entweder durch die Gestaltung des Elektrolyten oder durch die Einführung von Lithium-Wirten. "Das ultimative Ziel ist die Realisierung von Lithium-Schwefel-Batterien mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer bei niedrigen Kosten und hoher Sicherheit. Mögliche Anwendungen solcher Lithium-Schwefel-Batterien könnten Luft- und Raumfahrzeuge sein", so Li.

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