Durchbruch könnte der Schlüssel zu kostengünstigen, langlebigen erneuerbaren Batterien für Elektrofahrzeuge sein

Eine kosteneffiziente Lösung, die mehr Energie liefert

28.10.2024

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Lithium-Schwefel-Batterien haben ihr Potenzial als nächste Generation erneuerbarer Batterien für Elektrofahrzeuge und andere Geräte nie voll ausgeschöpft. Doch der SMU-Maschinenbauingenieur Donghai Wang und sein Forschungsteam haben einen Weg gefunden, diese Li-S-Batterien länger - und mit höherer Energie - zu betreiben als bestehende erneuerbare Batterien.

Dem Forschungsteam ist es gelungen, die unerwünschte Nebenwirkung der Polysulfidauflösung zu verhindern, die mit der Zeit auftritt und die Lebensdauer der Li-S-Batterien verkürzt.

"Dieser Durchbruch könnte zu haltbareren, langlebigeren Batterien führen", so Wang, Inhaber des Brown Foundation Chair of Mechanical Engineering und Professor für Maschinenbau an der SMU Lyle. Seine Forschung konzentriert sich auf das Design und die Synthese von nanostrukturierten Funktionsmaterialien und Energiespeichertechnologien wie Li-Ionen-Batterien und auch über die Li-Ionen-Technologie hinaus.

Neue, kostengünstige Batterie mit viermal höherer Kapazität als Lithium

Neue Batterietechnologie hat das Potenzial, die Kosten für die Energiespeicherung erheblich zu senken

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Eine in der Fachzeitschrift Nature Sustainability veröffentlichte Studie zeigt, dass die neu entwickelte Hybridpolymer-Netzwerkkathode des Teams Li-S-Batterien eine Kapazität von über 900 mAh/g (Milliamperestunden pro Gramm Masse) ermöglicht, verglichen mit der typischen Kapazität von 150-250 mAh/g in Lithium-Ionen-Batterien. Das bedeutet, dass sie eine viel höhere Menge an elektrischer Energie speichern kann.

"Außerdem bietet sie eine hervorragende Zyklenstabilität und übertrifft damit herkömmliche Lithium-Schwefel-Batterien", so Wang.

Die Zyklenkapazität gibt an, wie oft eine Batterie geladen und entladen werden kann, bevor ihre Kapazität stark abnimmt. Eine höhere Zykluskapazität bedeutet eine längere Lebensdauer der Batterie.

Wang wurde bei der Entwicklung der Kathode von Forschern der Pennsylvania State University, des Pacific Northwest National Laboratory, des Brookhaven National Laboratory, der University of Illinois at Chicago und des Argonne National Laboratory unterstützt.

Eine kostengünstige Lösung, die mehr Energie liefert

Was Li-S-Batterien als erneuerbare Energiequelle so vielversprechend macht, ist, dass sie kostengünstiger sind und mehr Energie speichern können als herkömmliche wiederaufladbare Batterien auf Ionenbasis.

Allerdings gibt es bei diesen Batterien ein zentrales Problem.

"Im Laufe der Jahre hat die Batteriegemeinschaft darum gekämpft, die negativen Auswirkungen der Polysulfidauflösung zu mildern", so Wang.

Alle Batterien haben einen Pluspol und einen Minuspol. Im Inneren der Batterie sorgt die chemische Reaktion, die kontinuierlich zwischen diesen beiden Polen abläuft, für die Stromversorgung der Batterie.

Im Fall von Li-S-Batterien ist eine schwefelhaltige positive Elektrode oder ein Pol, die so genannte Kathode, mit einer negativen Elektrode aus Lithiummetall, der so genannten Anode, gepaart. Zwischen diesen Komponenten befindet sich der Elektrolyt, also die Substanz, die den Ionenfluss zwischen den beiden Enden der Batterie ermöglicht.

Schwefel ist jedoch alles andere als ein ideales Material für eine Elektrode.

Wenn sich Lithiumionen mit den Schwefelatomen an der Kathode verbinden, bilden sie lösliche Polysulfidmoleküle, die in den Elektrolyten wandern, was zu einer Zersetzung der Kathode führt und die Fähigkeit der Batterie, mehrere Ladezyklen zu überstehen, verringert. Dies wird als Polysulfidauflösung bezeichnet.

Wang und sein Team haben einen Weg gefunden, dieses Problem zu beheben, indem sie eine so genannte Hybridpolymer-Netzwerkkathode verwenden.

"Unsere Kathode nutzt mehrere Schwefelbindungen, atomare Adsorption und schnellen Li-Ionen-/Elektronentransport auf molekularer Ebene", erklärt Wang. "Diese Kombination ermöglicht die Wiederbindung und Adsorption aller ungebundenen Schwefelarten in Echtzeit, wodurch lösliche Polysulfide effektiv eliminiert werden und die Lebensdauer der Batterie verlängert wird."

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Originalveröffentlichung

Meng Liao, Yaobin Xu, Muhammad Mominur Rahman, Sha Tan, Daiwei Wang, Ke Wang, Naveen K. Dandu, Qian Lu, Guoxing Li, Linh Le, Rong Kou, Heng Jiang, Au Nguyen, Pei Shi, Lei Ye, Anh T. Ngo, Enyuan Hu, Chongmin Wang, Donghai Wang; "Hybrid polymer network cathode-enabled soluble-polysulfide-free lithium–sulfur batteries"; Nature Sustainability, 2024-10-22

https://www.chemie.de/news/1184753/durchbruch-koennte-der-schluessel-zu-kostenguenstigen-langlebigen-erneuerbaren-batterien-fuer-elektrofahrzeuge-sein.html