Ob gefaltet oder zerschnitten, diese Lithium-Schwefel-Batterie hält durch

19.09.2024

Die meisten wiederaufladbaren Batterien, die tragbare Geräte wie Spielzeug, Handstaubsauger und E-Bikes antreiben, verwenden die Lithium-Ionen-Technologie. Diese Batterien haben jedoch eine kurze Lebensdauer und können bei Beschädigung Feuer fangen. Um Stabilitäts- und Sicherheitsprobleme zu lösen, haben Forscher, die in ACS Energy Letters berichten, eine Lithium-Schwefel-Batterie (Li-S) mit einer verbesserten Eisensulfid-Kathode entwickelt. Ein Prototyp ist über 300 Lade- und Entladezyklen hinweg äußerst stabil, und ein anderer liefert auch dann noch Strom, wenn er geknickt oder geschnitten wurde.

Schwefel wurde als Material für Lithium-Ionen-Batterien vorgeschlagen, weil es kostengünstig ist und mehr Energie speichern kann als Lithium-Metalloxide und andere Materialien, die in herkömmlichen ionenbasierten Versionen verwendet werden. Um Li-S-Batterien bei hohen Temperaturen stabil zu machen, haben Forscher bisher vorgeschlagen, einen Elektrolyten auf Karbonatbasis zu verwenden, um die beiden Elektroden (eine Eisensulfid-Kathode und eine lithiummetallhaltige Anode) zu trennen. Wenn sich jedoch das Sulfid der Kathode im Elektrolyten auflöst, bildet es einen undurchdringlichen Niederschlag, wodurch die Zelle schnell an Kapazität verliert. Liping Wang und seine Kollegen fragten sich, ob sie eine Schicht zwischen der Kathode und dem Elektrolyten anbringen könnten, um diese Korrosion zu verringern, ohne die Funktionalität und die Wiederaufladbarkeit zu beeinträchtigen.

Das Team beschichtete Eisensulfidkathoden mit verschiedenen Polymeren und stellte in ersten elektrochemischen Leistungstests fest, dass Polyacrylsäure (PAA) am besten abschnitt und die Entladekapazität der Elektrode nach 300 Lade-/Entladezyklen beibehielt. Anschließend bauten die Forscher eine mit PAA beschichtete Eisensulfidkathode in einen Batterieprototyp ein, der auch einen Elektrolyten auf Karbonatbasis, eine Lithiummetallfolie als Ionenquelle und eine Anode auf Graphitbasis enthielt. Sie produzierten und testeten anschließend sowohl Pouch-Cell- als auch Coin-Cell-Batterieprototypen.

Nach mehr als 100 Lade- und Entladezyklen beobachteten Wang und Kollegen bei der Pouch-Zelle keinen wesentlichen Kapazitätsabfall. Weitere Experimente zeigten, dass die Beutelzelle auch dann noch funktionierte, wenn sie gefaltet und halbiert wurde. Die Münzzelle behielt nach 300 Lade-/Entladezyklen 72 % ihrer Kapazität. Anschließend wurde die Polymerbeschichtung auf Kathoden aus anderen Metallen aufgebracht, wodurch Lithium-Molybdän- und Lithium-Vanadium-Batterien entstanden. Diese Zellen wiesen ebenfalls eine stabile Kapazität über 300 Lade-/Entladezyklen auf. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass mit beschichteten Kathoden nicht nur sicherere Li-S-Batterien mit langer Lebensdauer, sondern auch effiziente Batterien mit anderen Metallsulfiden hergestellt werden könnten, so das Team von Wang.

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Originalveröffentlichung

Hongyu Liu, Zhenrui Wu, Hao Wang, Xiaobin Niu, Hong Li, Liping Wang; "Chelating-Type Binders toward Stable Cycling and High-Safety Transition-Metal Sulfide-Based Lithium Batteries"; ACS Energy Letters, Volume 9, 2024-9-13

https://www.chemie.de/news/1184454/ob-gefaltet-oder-zerschnitten-diese-lithium-schwefel-batterie-haelt-durch.html