Schwefelige Nanowälder als Batterieelektroden mit Rekordkapazitäten
Wissenschaftler des Fraunhofer IWS in Dresden und ihre Partner forschen an neuen Materialien für elektrische Energiespeicher der Zukunft. Sie infiltrieren z.B. einen CNT-Rasen mit Schwefel und erhalten so äußerst preiswert neue Elektrodenwerkstoffe. Deren äußerst hohe Kapazität ermöglicht im Vergleich mit momentan erhältlichen Li-Ionen-Batterien eine Verdopplung der Energiedichte.
Elektrische Energiespeicherung ist eine Schlüsseltechnologie der heutigen Zeit. Engpass für die meisten mobilen Anwendungen ist die Energiedichte erhältlicher Batteriesysteme, die maßgeblich die maximale Nutzungsdauer zwischen zwei Ladezyklen bestimmt. Um deutliche Leistungssteigerungen bestehender Systeme zu erreichen, ist Forschung und Entwicklung im Bereich der Elektrodenmaterialien notwendig.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des CNT/Schwefel-Komposits
Fraunhofer IWS Dresden
Schwefelkathoden besitzen bemerkenswerte Vorteile gegenüber bisher verwendeten Elektroden: zum einen lassen sich durch die hohe Kapazität des Schwefels deutlich höhere Energiedichten erreichen. Zum anderen ist Schwefel ein preiswerter, ungiftiger und nicht limitierter Rohstoff. Da Schwefel jedoch eine geringe Leitfähigkeit besitzt, muss er in eine leitfähige Matrix eingebracht werden, um möglichst auf der Nanoskala kontaktiert zu werden und damit elektrochemisch nutzbar zu sein.
Wissenschaftler des Fraunhofer IWS in Dresden haben ein nahezu perfektes Material für diese Anwendung entwickelt. Mit einem einfachen Auftragsverfahren lassen sich vertikal ausgerichtete CNT direkt auf Metallsubstraten wie z.B. Aluminium, Nickel, Edelstahl aufwachsen. In diese Struktur kann der Schwefel infiltriert werden und man erhält stabile, kompakte Elektroden, ganz ohne Zusatz von Bindern oder anderen Additiven.
In dem durch das BMBF geförderten Projekt „AlkaSuSi“ werden diese Materialien für die Anwendung in Lithium-Schwefel-Batterien mit den Partnern Fraunhofer ICT und CAU Kiel weiterentwickelt und untersucht. Aktuelle Ergebnisse zeigen, dass die neuen Materialien mit bis zu 1300 mAh/g, bezogen auf die Masse des Schwefels, eine äußerst hohe Kapazität besitzen. Mit 900 mAh/g, bezogen auf die Masse des Komposits, übertreffen sie entsprechende Werte von binderhaltigen Elektroden deutlich.
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