Heilbare Kathode könnte das Potenzial von Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien erschließen
Diese Batterien könnten die Reichweite von Elektrofahrzeugen verdoppeln, ohne das Gewicht des Batteriepacks zu erhöhen
Forscher sind der Verwirklichung von Festkörperbatterien aus Lithium und Schwefel einen Schritt näher gekommen. Ein Team unter der Leitung von Ingenieuren der University of California San Diego hat ein neues Kathodenmaterial für Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien entwickelt, das elektrisch leitfähig und strukturell heilbar ist - Eigenschaften, die die Grenzen der derzeitigen Kathoden dieser Batterien überwinden. Die Arbeit wurde am 6. März in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Das Kathodenmaterial heilt, indem es von einem braunen Pulver zu einer tief violett-roten Flüssigkeit schmilzt.
David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien sind eine Art von wiederaufladbaren Batterien, die aus einem festen Elektrolyten, einer Anode aus Lithiummetall und einer Kathode aus Schwefel bestehen. Diese Batterien stellen eine vielversprechende Alternative zu den derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien dar, da sie eine höhere Energiedichte und niedrigere Kosten bieten. Sie haben das Potenzial, bis zu doppelt so viel Energie pro Kilogramm zu speichern wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien - mit anderen Worten, sie könnten die Reichweite von Elektrofahrzeugen verdoppeln, ohne das Gewicht des Batteriepacks zu erhöhen. Außerdem sind sie durch die Verwendung reichlich vorhandener, leicht zu beschaffender Materialien eine wirtschaftlich tragfähige und umweltfreundlichere Wahl.
Die Entwicklung von Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien wurde jedoch in der Vergangenheit durch die inhärenten Eigenschaften von Schwefelkathoden erschwert. Schwefel ist nicht nur ein schlechter Elektronenleiter, sondern Schwefelkathoden dehnen sich beim Laden und Entladen auch stark aus und ziehen sich zusammen, was zu strukturellen Schäden und einem verminderten Kontakt mit dem Festelektrolyten führt. Diese Probleme beeinträchtigen insgesamt die Fähigkeit der Kathode, Ladung zu übertragen, was die Gesamtleistung und Langlebigkeit der Festkörperbatterie beeinträchtigt.
Um diese Probleme zu lösen, hat ein Team unter der Leitung von Forschern des UC San Diego Sustainable Power and Energy Center ein neues Kathodenmaterial entwickelt: einen Kristall aus Schwefel und Jod. Indem sie Jodmoleküle in die kristalline Schwefelstruktur einfügten, erhöhten die Forscher die elektrische Leitfähigkeit des Kathodenmaterials drastisch um 11 Größenordnungen, so dass es 100 Milliarden Mal leitfähiger ist als Kristalle, die nur aus Schwefel bestehen.
"Wir sind sehr erfreut über die Entdeckung dieses neuen Materials", sagte Ping Liu, Professor für Nanoengineering und Direktor des Sustainable Power and Energy Center an der UC San Diego, einer der Hauptautoren der Studie. "Der drastische Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit in Schwefel ist eine Überraschung und wissenschaftlich sehr interessant."
Außerdem besitzt das neue Kristallmaterial einen niedrigen Schmelzpunkt von 65 Grad Celsius (149 Grad Fahrenheit), was niedriger ist als die Temperatur einer heißen Tasse Kaffee. Das bedeutet, dass die Kathode nach dem Aufladen der Batterie leicht wieder eingeschmolzen werden kann, um die durch den Zyklus beschädigten Schnittstellen zu reparieren. Dies ist ein wichtiges Merkmal, um die kumulativen Schäden zu beheben, die an der Festkörper-Festkörper-Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt bei wiederholtem Laden und Entladen auftreten.
"Diese Schwefel-Jodid-Kathode stellt ein einzigartiges Konzept dar, um einige der Haupthindernisse für die Kommerzialisierung von Li-S-Batterien zu überwinden", so Shyue Ping Ong, Mitautorin der Studie und Professorin für Nanoengineering an der UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Jod unterbricht die intermolekularen Bindungen, die die Schwefelmoleküle zusammenhalten, um genau die richtige Menge, um den Schmelzpunkt in die Goldlöckchen-Zone zu senken - oberhalb der Raumtemperatur, aber niedrig genug, damit die Kathode regelmäßig durch Schmelzen wiederhergestellt werden kann."
"Der niedrige Schmelzpunkt unseres neuen Kathodenmaterials ermöglicht die Reparatur der Grenzflächen, eine lange gesuchte Lösung für diese Batterien", sagte der Ko-Erstautor der Studie, Jianbin Zhou, ein ehemaliger Postdoktorand in der Nanotechnologie aus Lius Forschungsgruppe. "Dieses neue Material ist eine Lösung für künftige Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte".
Um die Wirksamkeit des neuen Kathodenmaterials zu überprüfen, konstruierten die Forscher eine Testbatterie und unterzogen sie wiederholten Lade- und Entladezyklen. Die Batterie blieb über 400 Zyklen lang stabil und behielt 87 Prozent ihrer Kapazität.
"Diese Entdeckung hat das Potenzial, eine der größten Herausforderungen bei der Einführung von Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien zu lösen, indem sie die Nutzungsdauer einer Batterie drastisch erhöht", sagte Christopher Brooks, Mitautor der Studie und leitender Wissenschaftler am Honda Research Institute USA, Inc. "Die Fähigkeit einer Batterie zur Selbstheilung, einfach durch Erhöhung der Temperatur, könnte den gesamten Lebenszyklus der Batterie erheblich verlängern und damit einen potenziellen Weg zur realen Anwendung von Festkörperbatterien eröffnen."
Das Team arbeitet daran, die Technologie der Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien weiter voranzutreiben, indem es das Zelldesign verbessert und das Zellformat vergrößert.
"Obwohl noch viel zu tun bleibt, um eine brauchbare Festkörperbatterie zu entwickeln, ist unsere Arbeit ein wichtiger Schritt", sagte Liu. "Diese Arbeit wurde dank der großartigen Zusammenarbeit zwischen unseren Teams an der UC San Diego und unseren Forschungspartnern in nationalen Labors, Hochschulen und der Industrie möglich."
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Originalveröffentlichung
Jianbin Zhou, Manas Likhit Holekevi Chandrappa, Sha Tan, Shen Wang, Chaoshan Wu, Howie Nguyen, Canhui Wang, Haodong Liu, Sicen Yu, Quin R. S. Miller, Gayea Hyun, John Holoubek, Junghwa Hong, Yuxuan Xiao, Charles Soulen, Zheng Fan, Eric E. Fullerton, Christopher J. Brooks, Chao Wang, Raphaële J. Clément, Yan Yao, Enyuan Hu, Shyue Ping Ong, Ping Liu; "Healable and conductive sulfur iodide for solid-state Li–S batteries"; Nature, 2024-3-6
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