Verbesserung von Lithium-Schwefel-Batterien mit Materialien auf der Basis metallorganischer Gerüste

04.03.2024

Die derzeitige Lithium-Ionen-Batterietechnologie hat nicht die erforderliche Energiedichte, um den Bedarf an erneuerbarer Energie zu decken. Theoretisch könnten Lithium-Schwefel-Batterien eine brauchbare Alternative mit einer höheren spezifischen Kapazität und Energiedichte sein. Schwefel hat jedoch Nachteile, die seine praktische Anwendung derzeit einschränken.

Ein umfassender Bericht, der am 8. Februar in der Zeitschrift Nano Research veröffentlicht wurde, beschreibt, wie Kathodenmaterialien auf der Grundlage metallorganischer Gerüste die Leistung von Lithium-Schwefel-Batterien verbessern und sie zu einer praktischen Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien machen könnten.

"Die Anwendung von Hochleistungs-Lithium-Schwefel-Batterien wird immer noch durch einige wichtige Probleme behindert, die zu einer inakzeptablen praktischen Kapazität und Zyklenstabilität führen", sagte Weihua Chen, Forscher an der Universität Zhengzhou. "Erstens erhöhen die schlechte elektrische Leitfähigkeit von Schwefel und die der Entladungsprodukte den Innenwiderstand der Batterien erheblich, was die Nutzungseffizienz der aktiven Materialien einschränkt. Außerdem führt die starke volumetrische Ausdehnung von Schwefelkathoden nach dem Lithiumisierungsprozess zu einer strukturellen Pulverisierung der Elektroden." Aufgrund dieser Einschränkungen haben Lithium-Schwefel-Batterien sowohl Sicherheits- als auch Leistungsprobleme, die derzeit ihre breite Anwendung verhindern.

Bessere Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Akkus

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Fortschrittliche Schwefelkathoden, die aus metallorganischen Gerüsten bestehen, könnten die Lösung sein. Metallorganische Gerüste bestehen in der Regel aus einem Metallion/Cluster und haben einzigartige Eigenschaften wie hohe Porosität, einstellbare Porengröße und kontrollierbare Porenstruktur. Unverfälschte metallorganische Gerüste wurden wegen ihrer schlechten elektrischen Leitfähigkeit und unzureichenden strukturellen Stabilität noch nicht in Lithium-Schwefel-Batterien eingesetzt. Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, wie metallorganische Gerüste mit leitfähigem Material wie Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren und einigen Polymeren kombiniert werden können.

"Aufgrund der porösen Mikrostruktur, der sehr großen zugänglichen spezifischen Oberfläche und der einstellbaren Funktionsgruppe haben metallorganische Gerüstmaterialien die Aufmerksamkeit von Forschern als potenzielle Kathodenwirte für Lithium-Schwefel-Batterien auf sich gezogen und bedeutende Fortschritte gemacht. Insbesondere metallorganische Gerüstmaterialien könnten die Auflösung und Diffusion von Polysulfid in den Elektrolyten wirksam einschränken", so Chen.

Diese Übersicht über veröffentlichte Artikel befasste sich mit unveränderten metallorganischen Gerüsten, verschiedenen metallorganischen Gerüstverbindungen und metallorganischen Gerüstderivaten. Diese unveränderten anorganischen metallischen und organischen Komponenten haben eine kristallografische Struktur und sind vielversprechend, was die Speicherung von aktivem Schwefel angeht.

Metallorganische Verbundwerkstoffe verbessern die Eigenschaften der metallorganischen Gerüste, indem sie die Leitfähigkeit verbessern und die strukturelle Stabilität erhöhen. Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und leitfähige Polymere sind allesamt brauchbare Optionen, um die Einschränkungen der ursprünglichen metallorganischen Gerüste zu verbessern. Eine weitere Alternative sind Materialien, die von metallorganischen Gerüsten abgeleitet sind, oder Derivate metallorganischer Gerüste. Von metallorganischen Gerüsten abgeleitete Kohlenstoffmaterialien können beispielsweise den Elektronen- und Ionentransfer erleichtern und das Problem der Volumenexpansion bei Schwefelkathoden lösen, könnten aber die Struktur der metallorganischen Gerüste beeinträchtigen. Derzeit wird erforscht, wie diese verschiedenen Materialien verbessert und am besten in Lithium-Schwefel-Batterien eingesetzt werden können.

Mit Blick auf die Zukunft erforschen die Forscher weiterhin, wie auf metallorganischen Gerüsten basierende Materialien und ihre einzigartigen Eigenschaften die Leistung von Lithium-Schwefel-Batterien verbessern können. "Metallorganische Gerüstmaterialien entwickeln sich als vielversprechende Schwefelkathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Batterien. Trotz erheblicher Fortschritte in den letzten Jahren gibt es für die Kommerzialisierung von Lithium-Schwefel-Batterien noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Bis zur praktischen Anwendung von metallorganischen Gerüstmaterialien in Lithium-Schwefel-Batterien wird es noch viel Zeit und Mühe kosten, aber diese Übersicht könnte eine nützliche Orientierungshilfe für die künftige Entwicklung dieser Materialien bieten", so Chen.

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Originalveröffentlichung

Zhengkun Xie, Boyong Cao, Xiyan Yue, Ruixue Wang, Ziqian Xue, Jiajia Wang, Guoqing Guan, Weihua Chen; "Metal organic frameworks-based cathode materials for advanced Li-S batteries: A comprehensive review"; Nano Research, 2024-2-8

https://www.chemie.de/news/1182868/verbesserung-von-lithium-schwefel-batterien-mit-materialien-auf-der-basis-metallorganischer-gerueste.html