Ein stabilisierender Einfluss ermöglicht die Weiterentwicklung der Lithium-Schwefel-Batterie
Stabile Kathode und 5-Sekunden-Fertigungstechnik könnten die Verbreitung von Li-S-Akkus fördern
Ende Juli 2008 stellte ein britisches Solarflugzeug einen inoffiziellen Flugdauerrekord auf, indem es mehr als drei Tage in der Luft blieb. Lithium-Schwefel-Batterien erwiesen sich als einer der großen technologischen Fortschritte, die den Flug ermöglichten - sie trieben das Flugzeug über Nacht mit einer Effizienz an, die von den Spitzenbatterien des heutigen Zeitalters unerreicht ist. Zehn Jahre später wartet die Welt immer noch auf die Markteinführung von "Li-S"-Akkus. Aber ein Durchbruch von Forschern der Drexel University hat gerade eine bedeutende Barriere beseitigt, die ihre Lebensdauer blockiert hat.
Technologieunternehmen wissen seit einiger Zeit, dass die Entwicklung ihrer Produkte, ob Laptops, Mobiltelefone oder Elektroautos, von der kontinuierlichen Verbesserung der Batterien abhängt. Technologie ist nur so lange "mobil", wie es der Akku zulässt, und Lithium-Ionen-Akkus - die als die besten auf dem Markt gelten - stoßen an ihre Grenzen.
Da sich die Akkuleistung einem Plateau nähert, versuchen Unternehmen, jedes einzelne Volt in die und aus den Speichervorrichtungen zu drücken, indem sie die Größe einiger der internen Komponenten reduzieren, die nicht zur Energiespeicherung beitragen. Einige unglückliche Nebenwirkungen dieser strukturellen Veränderungen sind die Störungen und Zusammenbrüche, die bei einer Reihe von Samsung Tablets im Jahr 2016 auftraten.
Forscher und die Technologieindustrie prüfen Li-S-Batterien, um Lithium-Ionen zu ersetzen, denn diese neue Chemie ermöglicht es theoretisch, mehr Energie in eine einzige Batterie zu packen - ein Maß, das in der Batterieforschung und -entwicklung als "Energiedichte" bezeichnet wird. Diese verbesserte Kapazität, in der Größenordnung des 5- bis 10-fachen der von Lithium-Ionen-Akkus, entspricht einer längeren Laufzeit der Akkus zwischen den Ladevorgängen.
Seit Jahren versuchen Wissenschaftler, die Reaktion in der Li-S-Batterie zu stabilisieren, um physikalisch leistungssteigernde Polysulfide zu enthalten, aber die meisten Versuche haben andere Komplikationen verursacht, wie z.B. das Hinzufügen von Gewicht oder teuren Materialien zur Batterie oder das Hinzufügen mehrerer komplizierter Verarbeitungsschritte. Ein neuer Ansatz, der von Forschern des Drexel's College of Engineering entwickelt wurde, kann Polysulfide an Ort und Stelle halten und die beeindruckende Ausdauer der Batterie erhalten, während gleichzeitig das Gesamtgewicht und die Zeit für ihre Herstellung reduziert werden.
Drexel University
Das bei Drexel entwickelte Heißpressverfahren schmilzt Schwefel in einer leicht druckbeaufschlagten, 140 Grad Celsius heißen Umgebung zu den Nanofasermatten und macht eine zeitaufwändige Verarbeitung mit einer Mischung aus giftigen Chemikalien überflüssig, während es gleichzeitig die Fähigkeit der Kathode verbessert, eine Ladung nach langen Nutzungszeiten zu halten.
Drexel University
Das Problem ist, dass Li-S-Akkus nach den ersten Ladevorgängen ihre überlegene Kapazität nicht beibehalten konnten. Es stellt sich heraus, dass der Schwefel, der der Schlüsselbestandteil für eine verbesserte Energiedichte ist, in Form von Zwischenprodukten, den Polysulfiden, von der Elektrode wegwandert, was zum Verlust dieses Schlüsselbestandteils führt und die Leistung während des Aufladens nachlässt.
Seit Jahren versuchen Wissenschaftler, die Reaktion in der Li-S-Batterie zu stabilisieren, um diese Polysulfide physikalisch zu binden, aber die meisten Versuche haben andere Komplikationen verursacht, wie z.B. das Hinzufügen von Gewicht oder teuren Materialien zur Batterie oder das Hinzufügen mehrerer komplizierter Verarbeitungsschritte.
Ein neuer Ansatz zeigt jedoch, dass mit ihm Polysulfide an Ort und Stelle gehalten werden können, wodurch die beeindruckende Ausdauer der Batterie erhalten bleibt und gleichzeitig das Gesamtgewicht und die für ihre Herstellung erforderliche Zeit reduziert werden.
"Wir haben freistehende poröse Titanmonoxid-Nanofasermatten als Kathodenwirtschaftsmaterial in Lithium-Schwefel-Batterien entwickelt", sagt Dr. Vibha Kalra, Assistenzprofessorin am College of Engineering und Hauptautorin der Forschung. "Dies ist eine wichtige Entwicklung, denn wir haben festgestellt, dass unsere Titanmonoxid-Schwefelkathode sowohl hochleitfähig als auch in der Lage ist, Polysulfide über starke chemische Wechselwirkungen zu binden, was bedeutet, dass sie die spezifische Kapazität der Batterie erhöhen und gleichzeitig ihre beeindruckende Leistung über Hunderte von Zyklen erhalten kann. Wir können auch den vollständigen Wegfall von Bindemitteln und Stromabnehmern auf der Kathodenseite zeigen, die 30-50 Prozent des Elektrodengewichts ausmachen - und unser Verfahren benötigt nur wenige Sekunden, um die Schwefelkathode herzustellen, wo der aktuelle Standard fast einen halben Tag dauern kann."
Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Nanofasermatte, die auf mikroskopischer Ebene einem Vogelnest ähnelt, eine ausgezeichnete Plattform für die Schwefelkathode ist, da sie die Polysulfide anzieht und einfängt, die beim Gebrauch der Batterie entstehen. Die Beibehaltung der Polysulfide in der Kathodenstruktur verhindert "Shuttling", ein leistungsbeeinträchtigendes Phänomen, das auftritt, wenn sie sich in der Elektrolytlösung auflösen, die die Kathode von der Anode in einer Batterie trennt. Dieses Kathodendesign kann nicht nur dazu beitragen, die Energiedichte der Li-S-Batterie zu erhalten, sondern auch auf zusätzliche Materialien zu verzichten, die das Gewicht und die Produktionskosten erhöhen, so Kalra.
Um diese beiden Ziele zu erreichen, hat die Gruppe die Reaktionsmechanismen und die Bildung von Polysulfiden genau untersucht, um besser zu verstehen, wie ein Elektrodenwirtmaterial helfen könnte, sie einzudämmen.
"Diese Forschung zeigt, dass das Vorhandensein einer starken Lewis-Säure-Base-Wechselwirkung zwischen Titanmonoxid und Schwefel in der Kathode verhindert, dass Polysulfide in den Elektrolyten gelangen, was die Hauptursache für die verminderte Leistung der Batterie ist", sagte Arvinder Singh, PhD, ein Postdoc-Forscher in Kalras Labor, der Autor der Arbeit war.
Das bedeutet, dass ihr Kathodendesign einer Li-S-Batterie helfen kann, ihre Energiedichte aufrechtzuerhalten - und zwar ohne zusätzliche Materialien, die Gewicht und Produktionskosten erhöhen, so Kalra.
Kalras bisherige Arbeit mit Nanofaserelektroden hat gezeigt, dass sie eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber aktuellen Batteriekomponenten bieten. Sie haben eine größere Oberfläche als aktuelle Elektroden, so dass sie während des Ladevorgangs eine Ausdehnung ermöglichen können, die die Speicherkapazität der Batterie erhöhen kann. Durch die Befüllung mit einem Elektrolytgel können sie brennbare Komponenten aus Geräten entfernen, wodurch ihre Anfälligkeit für Lecks, Brände und Explosionen minimiert wird. Sie entstehen durch einen Elektrospinnprozess, der so ähnlich aussieht wie die Herstellung von Zuckerwatte, d.h. sie haben einen Vorteil gegenüber den herkömmlichen pulverbasierten Elektroden, die bei ihrer Herstellung den Einsatz von isolierenden und leistungsabbauenden "Bindemittel"-Chemikalien erfordern.
Parallel zu seiner Arbeit an bindemittelfreien, freistehenden Kathodenplattformen zur Verbesserung der Leistung von Batterien entwickelte das Kalra-Labor eine schnelle Schwefelabscheidetechnik, die nur fünf Sekunden benötigt, um den Schwefel in sein Substrat zu bringen. Das Verfahren schmilzt Schwefel in den Nanofasermatten in einer leicht unter Druck stehenden, 140 Grad Celsius heißen Umgebung ein - eine zeitaufwändige Verarbeitung mit einer Mischung aus giftigen Chemikalien entfällt, während gleichzeitig die Fähigkeit der Kathode, eine Ladung nach längerer Zeit zu halten, verbessert wird.
"Unsere Li-S-Elektroden bieten die richtige Architektur und Chemie, um Kapazitätsverluste während des Batteriezyklus zu minimieren, ein wesentliches Hindernis für die Kommerzialisierung von Li-S-Batterien", sagte Kalra. "Unsere Forschung zeigt, dass diese Elektroden eine anhaltende effektive Kapazität aufweisen, die viermal höher ist als die der aktuellen Lithium-Ionen-Batterien. Und unser neuartiges, kostengünstiges Verfahren zur sekundenschnellen Schwefelung der Kathode beseitigt ein wesentliches Hindernis für die Herstellung."
Seit dem Rekordflug von Zephyr-6 im Jahr 2008 haben viele Unternehmen in die Entwicklung von Li-S-Batterien investiert, um die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen, mobile Geräte länger zwischen den Ladevorgängen halten zu lassen und sogar dem Energienetz zu helfen, Wind- und Sonnenenergiequellen aufzunehmen. Kalras Arbeit bietet nun einen Weg für diese Batterietechnologie, um eine Reihe von Hindernissen zu überwinden, die ihren Fortschritt verlangsamt haben.
Die Gruppe wird ihre Li-S-Kathoden weiter entwickeln, um die Lebensdauer der Kreisläufe weiter zu verbessern, die Bildung von Polysulfiden zu reduzieren und die Kosten zu senken.
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