Chemiker entschlüsseln Reaktionsprozess, der Lithium-Schwefel-Batterien verbessern könnte
Kombination aus Batterietechnologie und Katalyse eröffnet neue Wege für preiswerte Batterien mit hoher Kapazität
Lithium-Schwefel-Batterien können potenziell fünf- bis zehnmal mehr Energie speichern als die derzeit modernsten Lithium-Ionen-Batterien, und das zu wesentlich geringeren Kosten. Die derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien verwenden Kobaltoxid als Kathode, ein teures Mineral, das auf eine Weise abgebaut wird, die Mensch und Umwelt schadet. Lithium-Schwefel-Batterien ersetzen Kobaltoxid durch Schwefel, der reichlich vorhanden und billig ist und weniger als ein Hundertstel des Preises von Kobalt kostet.
Aber es gibt einen Haken: Chemische Reaktionen, insbesondere die Schwefelreduktionsreaktion, sind sehr komplex und nicht gut verstanden, und unerwünschte Nebenreaktionen könnten die Lebensdauer der Batterien weit vor der von herkömmlichen Batterien beenden.
Jetzt haben Forscher um die UCLA-Chemiker Xiangfeng Duan und Philippe Sautet die Schlüsselwege dieser Reaktion entschlüsselt. Diese in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse werden dazu beitragen, die Reaktion feiner abzustimmen, um die Kapazität und Lebensdauer von Batterien zu verbessern.
Bei der Schwefelreduktionsreaktion in einer Lithium-Schwefel-Batterie werden 16 Elektronen benötigt, um ein achtatomiges Schwefelringmolekül in Lithiumsulfid umzuwandeln, und zwar in einem katalytischen Reaktionsnetzwerk mit zahlreichen miteinander verflochtenen Verzweigungen und verschiedenen Zwischenprodukten, den so genannten Lithiumpolysulfiden und vielen anderen Nebenprodukten. Da es sich um eine so komplexe Reaktion mit vielen voneinander abzweigenden Pfaden und vielen Zwischenprodukten handelt, die für die Fortsetzung der Reaktion wichtig sind, war es bisher schwierig, die Reaktion zu untersuchen und noch schwieriger herauszufinden, welche Teile der Reaktion für eine bessere Batterieleistung anvisiert werden sollten.
"Trotz umfangreicher Bemühungen zur Verbesserung der offensichtlichen Leistung von Lithium-Schwefel-Batterien bleibt der grundlegende Reaktionsmechanismus ungeklärt", so Duan, korrespondierender Autor und UCLA-Professor für Chemie und Biochemie. "Der Hauptzweig in diesem Reaktionsnetzwerk für die Schwefelreduktionsreaktion ist nach wie vor umstritten."
Ein besonders interessantes Problem ist eine Nebenreaktion, bei der die Polysulfid-Zwischenprodukte zur Lithium-Metall-Anode wandern und mit ihr reagieren, wobei sowohl Schwefel als auch Lithium verbraucht werden, was zu Energieverlusten und einer schnell reduzierten Speicherkapazität führt. Eine eindeutige Identifizierung der wichtigsten Zwischenprodukte und ein besseres Verständnis der Art und Weise, wie diese Zwischenprodukte produziert oder verbraucht werden, würde den Wissenschaftlern helfen, diese Wanderung zwischen den Elektroden zu kontrollieren und die Verschwendung von Schwefel und Lithium zu minimieren.
Die neue Studie entschlüsselt erstmals das gesamte Reaktionsnetzwerk, bestimmt den vorherrschenden molekularen Weg und enthüllt die entscheidende Rolle der Elektrokatalyse bei der Änderung der Reaktionskinetik.
Das Team nutzte zunächst theoretische Berechnungen, um alle möglichen Reaktionswege und die zugehörigen Zwischenprodukte zu kartieren, und anschließend elektrochemische und spektroskopische Analysen, um die rechnerischen Ergebnisse zu validieren.
Die Batterieleistung wurde von Li2S4 als wichtigstem Zwischenprodukt dominiert, und es stellte sich heraus, dass die Katalyse für die vollständige Umwandlung von Li2S4 in das endgültige Entladungsprodukt (Li2S) entscheidend ist. Mit Schwefel und Stickstoff dotierte Elektroden auf Kohlenstoffbasis können diese Umwandlung wirksam erleichtern. Ihre Studie ergab auch, dass das Zwischenprodukt Li2S6 nicht direkt am elektrochemischen Prozess beteiligt ist, sondern als Hauptprodukt chemischer Nebenreaktionen auftritt und wesentlich zum unerwünschten Polysulfid-Shuttle-Effekt beiträgt.
"Unsere Studie liefert ein grundlegendes Verständnis der Schwefelreduktionsreaktion in Lithium-Schwefel-Batterien und zeigt, dass ein richtig konzipiertes katalytisches Elektrodenmaterial die Lade- und Entladereaktionen beschleunigen, die Nebenreaktionen abmildern und die Zykluslebensdauer verbessern kann", sagte Duan, der im Dezember von der National Academy of Inventors zum Fellow 2023 gewählt wurde.
"Die Kombination von Batterietechnologie und Katalysewissenschaft eröffnet neue Wege für schnelle und leistungsstarke Energieumwandlungsgeräte", sagte Sautet, der den Levi James Knight, Jr. Term Chair für Exzellenz.
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Originalveröffentlichung
Rongli Liu, Ziyang Wei, Lele Peng, Leyuan Zhang, Arava Zohar, Rachel Schoeppner, Peiqi Wang, Chengzhang Wan, Dan Zhu, Haotian Liu, Zhaozong Wang, Sarah H. Tolbert, Bruce Dunn, Yu Huang, Philippe Sautet, Xiangfeng Duan; "Establishing reaction networks in the 16-electron sulfur reduction reaction"; Nature, Volume 626, 2024-1-31
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