Ein Hauch frischer Luft für länger laufende Batterien

13.01.2020 - Korea, Rep.

Die DGIST-Forscher verbessern die Leistung von Lithium-Luft-Batterien und bringen uns damit Elektroautos näher, die mit Sauerstoff länger fahren können, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen. In ihrer neuesten Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Applied Catalysis B: Environmental beschreiben sie, wie sie eine Elektrode aus Nickel-Kobaltsulfid-Nanoflocken auf schwefeldotierten Graphen hergestellt haben, was zu einer langlebigen Batterie mit hoher Entladekapazität führt.

"Die Fahrstrecke von Elektroautos, die mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben werden, beträgt etwa 300 Kilometer", sagt der Chemiker Sangaraju Shanmugam vom koreanischen Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (DGIST). "Das bedeutet, dass es schwierig ist, mit diesen Batterien eine Rundreise zwischen Seoul und Busan zu machen. Dies hat zur Erforschung von Lithium-Luft-Batterien geführt, da diese mehr Energie speichern und somit eine längere Laufleistung ermöglichen".

Aber Lithium-Luft-Batterien stehen vor vielen Herausforderungen, bevor sie auf den Markt gebracht werden können. Sie entladen die Energie beispielsweise nicht so schnell wie Lithium-Ionen-Akkus, so dass ein Elektroauto mit Lithium-Luft-Batterie zwar weiter fahren kann, ohne dass es sich aufladen muss, aber man müsste sehr langsam fahren. Diese Batterien sind auch weniger stabil und müssten öfter ersetzt werden.

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Shanmugam und seine Kollegen konzentrierten ihre Forschung auf die Verbesserung der Kapazität von Lithium-Luft-Batterien, um die Reaktionen zwischen Lithium-Ionen und Sauerstoff zu katalysieren, die die Energiefreisetzung und den Wiederaufladungsprozess erleichtern.

Batterien haben zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode. Die Reaktionen zwischen Lithium-Ionen und Sauerstoff finden an der Kathode in einer Lithium-Luft-Batterie statt. Shanmugam und sein Team entwickelten eine Kathode aus Nickel-Kobalt-sulfid-Nanoflocken, die auf einem porösen, mit Schwefel dotierten Graphen aufgebracht wurden.

Ihr Akku zeigte eine hohe Entladekapazität bei gleichzeitiger Erhaltung der Akkuleistung über zwei Monate, ohne dass die Kapazität nachließ.

Der Erfolg der Batterie ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen. Die unterschiedlich großen Poren im Graphen boten einen großen Raum für die chemischen Reaktionen. Auch die Nickel-Kobalt-Sulfid-Katalysatorflocken verfügen über reichlich aktive Stellen für diese Reaktionen. Die Flocken bilden auch eine Schutzschicht, die eine robustere Elektrode ergibt. Schließlich verbessert die Dotierung des Graphens mit Schwefel und die Interkonnektivität seiner Poren den Transport der elektrischen Ladungen in der Batterie.

Als nächstes plant das Team, an der Verbesserung anderer Aspekte der Lithium-Luft-Batterie zu arbeiten, indem es die Forschung zum Verständnis des Entlade-/Ladeverhaltens der Elektroden und ihrer Oberflächeneigenschaften betreibt. "Wenn wir die Kerntechnologien aller Teile der Batterie gesichert und kombiniert haben, können wir mit der Herstellung von Prototypen beginnen", sagt Shanmugam.

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Originalveröffentlichung

SuyeonHyun et al.; "The synergistic effect of nickel cobalt sulfide nanoflakes and sulfur-doped porous carboneous nanostructure as bifunctional electrocatalyst for enhanced rechargeable Li-O2 batteries"; Applied Catalysis B: Environmental; Volume 263, April 2020

https://www.chemie.de/news/1164381/ein-hauch-frischer-luft-fuer-laenger-laufende-batterien.html