Das Potenzial von Lithium-Schwefel-Batterien freisetzen

Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserer Gesellschaft nicht mehr wegzudenken – von Handys und Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen. Während Lithium-Ionen-Batterien bisher ein großer Erfolg waren, arbeiten Wissenschaftler weltweit daran, noch bessere Batterien zu entwickeln, die über die Lithium-Ionen-Batterien hinausgehen, um den Übergang zu einer stärker elektrifizierten Welt zu ermöglichen. Kommerzielle Li-Ionen-Batterien haben eine geringere Energiedichte als alternative Batterien und sind auf relativ teure Substanzen wie Kobalt- und Nickelverbindungen angewiesen, die zudem stark von anfälligen Lieferketten abhängig sind.
Schematische Darstellung des Synchrotron-Röntgenexperiments, das im Rahmen dieser Forschung am APS zur Untersuchung der Li-S-Batteriezelle verwendet wurde.
Image by Argonne National Laboratory/Guiliang Xu
Eine der vielversprechenderen Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien sind Lithium-Schwefel-Batterien , die eine Anode aus Lithiummetall und eine Kathode aus Schwefel haben. Diese Elektrodenpaarung verspricht eine zwei- bis dreifach höhere Energiedichte und geringere Kosten bei gleichzeitiger Nutzung von Ressourcen, die auf der Erde reichlich vorhanden sind.
„Bei weiterer Optimierung und Entwicklung von Schwefelelektroden glauben wir, dass Li-S-Batterien eine höhere Energiedichte und eine bessere Gesamtleistung erreichen können, was zu ihrer kommerziellen Einführung beitragen wird“, erklärt Guiliang Xu, Chemiker bei Argonne.
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Diese Batterien haben jedoch auch ihre Tücken, wie z. B. eine kurze Lebensdauer aufgrund der unerwünschten Migration von Polysulfid-Ionen und der ungleichmäßigen Verteilung und des Auftretens chemischer Reaktionen innerhalb des Systems.
Durch die Entwicklung eines innovativen Zusatzstoffs für den Elektrolyten machen Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums Fortschritte bei der Lösung dieser Probleme, die die breite Einführung von Li-S-Batterien behindern.
In Lithium-Ionen-Batterien werden die Lithium-Ionen in den Zwischenräumen zwischen den Schichten des Kathodenmaterials gespeichert und bewegen sich beim Laden und Entladen zwischen Kathode und Anode hin und her.
Li-S-Batterien beruhen jedoch auf einem anderen Verfahren. In diesen Zellen bewegen sich die Lithium-Ionen durch eine chemische Reaktion zwischen Kathode und Anode. Elementarer Schwefel aus der Kathode wird in Polysulfidverbindungen umgewandelt, die aus Schwefelatomketten bestehen und von denen sich einige im Elektrolyten lösen können. Aufgrund dieser Löslichkeit kommt es zu einem „Shuttle“-Effekt, bei dem die Polysulfide zwischen der Kathode und der Anode hin- und herwandern. Dieses Hin- und Herpendeln führt zu einem Materialverlust an der Schwefelkathode, da es sich an der Anode ablagert, was die Lebensdauer und Leistung der Batterie insgesamt einschränkt.
Es wurden zahlreiche Strategien vorgeschlagen, um das Polysulfid-Shuttling und andere Probleme zu mindern. Eine dieser Strategien, nämlich die Verwendung eines Zusatzstoffs im Elektrolyten, galt lange Zeit aufgrund der chemischen Reaktivität mit der Schwefelkathode und anderen Batterieteilen als inkompatibel. Der Argonne-Chemiker Guiliang Xu und sein Team haben eine neue Klasse von Additiven entwickelt und festgestellt, dass solche Additive die Batterieleistung tatsächlich verbessern können. Durch die Kontrolle der Art und Weise, wie der Zusatzstoff mit Schwefelverbindungen reagiert, können die Forscher eine bessere Grenzfläche zwischen der Kathode und dem Elektrolyten schaffen, die für einen einfachen Transport der Lithiumionen erforderlich ist.
„Das Additiv, ein sogenanntes Lewis-Säure-Additiv, ist ein Salz, das mit den Polysulfidverbindungen reagiert und einen Film über die gesamte Elektrode bildet“, so Xu. Der Schlüssel ist eine kleine Reaktion, um den Film zu bilden, ohne eine kontinuierliche Reaktion, die das Material verbraucht und die Energiedichte verringert.
Das Additiv bildet sowohl auf der Anode als auch auf der Kathode einen Film, der den Shuttle-Effekt unterdrückt, die Stabilität der Zelle verbessert und eine „Autobahn“ für den Ionentransport durch die Elektrode fördert. Dieses Elektrolytdesign minimiert auch die Schwefelauflösung und verbessert die Reaktionshomogenität, was die Verwendung von Additiven ermöglicht, die bisher als inkompatibel galten.
Zur Validierung des Konzepts verglichen die Forscher ihren Elektrolyten mit dem Zusatzstoff mit einem herkömmlichen Elektrolyten, der in Li-S-Batterien verwendet wird. Sie beobachteten eine deutliche Verringerung der Polysulfidbildung. Der neue Elektrolyt wies eine sehr geringe Auflösung von Polysulfiden auf, was mit Röntgentechniken bestätigt wurde. Außerdem verfolgten sie das Reaktionsverhalten während des Ladens und Entladens der Batterie. Bei diesen Experimenten wurden die Advanced Photon Source von Argonne und die National Synchrotron Light Source II des Brookhaven National Laboratory genutzt, beides Einrichtungen des DOE Office of Science, die bestätigten, dass das Elektrolytdesign die Auflösung und Bildung von Polysulfiden minimierte.
„Synchrotrontechniken bieten leistungsstarke Werkzeuge zur Charakterisierung von Batteriematerialien“, sagte Tianyi Li, ein Beamline-Wissenschaftler am APS. Durch den Einsatz von Röntgenbeugung, Röntgenabsorptionsspektroskopie und Röntgenfluoreszenzmikroskopie an der APS konnte bestätigt werden, dass das neue Grenzflächendesign bekannte Probleme wie den Polysulfid-Shuttle wirksam abschwächt. Noch wichtiger ist, dass diese Schnittstelle den Ionentransfer verbessert, was dazu beiträgt, Reaktionsheterogenitäten zu reduzieren.“
Xu fügte hinzu: „Bei weiterer Optimierung und Entwicklung von Schwefelelektroden glauben wir, dass Li-S-Batterien eine höhere Energiedichte und eine bessere Gesamtleistung erreichen können, was zu ihrer kommerziellen Einführung beiträgt.“
Eine weitere große Herausforderung für Li-S-Batterien ist die Stabilität des Lithiummetalls – es reagiert leicht und wirft Sicherheitsbedenken auf. Xu und sein Team arbeiten an der Entwicklung besserer Elektrolyte, um das Lithiummetall zu stabilisieren und die Entflammbarkeit des Elektrolyten zu verringern und so die Sicherheit von Li-S-Batterien zu gewährleisten.
An der APS wurde Beamline 20-BM für Röntgenabsorptionsspektroskopie genutzt, um die Löslichkeit von Polysulfid zu untersuchen. Beamline 17-BM wurde für die Röntgenbeugung genutzt, um die Homogenität oder Heterogenität der gesamten Zelle zu untersuchen. Beamline 2-ID wurde für die Röntgenfluoreszenzabbildung verwendet, um die Löslichkeit des Elektrodenmaterials zu bestätigen und die Migration von Schwefel in herkömmlichen Elektrolyten zu beobachten.
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Chen Zhao, Heonjae Jeong, Inhui Hwang, Tianyi Li, Yang Wang, Jianming Bai, Luxi Li, Shiyuan Zhou, Chi Cheung Su, Wenqian Xu, Zhenzhen Yang, Manar Almazrouei, Cheng-Jun Sun, Lei Cheng, Gui-Liang Xu, Khalil Amine; „Polysulfide-incompatible additive suppresses spatial reaction heterogeneity of Li-S batteries“; Joule, Volume 8
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