Ein Team unter der Leitung von Professor Cheong Ying Chan vom Energieinstitut der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hat ein neuartiges Kathodenkonzept für Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) vorgeschlagen, das die Leistung dieser vielversprechenden Batterie der nächsten Generation erheblich verbessert. Ein Artikel über ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Die Kathode besteht aus gleichmäßig eingebetteten ZnS-Nanopartikeln und einem einatomigen Co-N-C-Katalysator, die in einem hochgradig orientierten makroporösen Wirt doppelendige Bindungsstellen bilden, die Polysulfid-Zwischenprodukte während des Zyklus wirksam immobilisieren und katalytisch umwandeln können, wodurch der Shuttle-Effekt und die Korrosion des Lithiummetalls vermieden werden.
Die geordneten Makroporen verbessern den Ionentransport bei hoher Schwefelbelastung, indem sie ausreichende Dreiphasengrenzen zwischen Katalysator, leitfähigem Träger und Elektrolyt bilden. Dieses Design verhindert die Bildung von inaktivem Schwefel (toter Schwefel).
Unsere Kathodenstruktur zeigt verbesserte Leistungen in einer Pouch-Zellenkonfiguration bei hoher Schwefelbelastung und magerem Elektrolytbetrieb. Eine 1-A-h-Pouch-Zelle mit nur 100 % Lithiumüberschuss kann eine spezifische Zellenenergie von >300 W h kg-1 mit einem Coulomb-Wirkungsgrad von >95 % für 80 Zyklen liefern.
-Zhao et al.
Entwurfsstrategie des makroporösen Wirts mit Doppelendbindungsstellen. Credit: HKUST
Li-S-Batterien können potenziell eine Energiedichte von über 500 Wh/kg bieten, deutlich besser als Li-Ionen-Batterien, die bei 300 Wh/kg ihre Grenze erreichen. Die höhere Energiedichte bedeutet, dass die Reichweite eines Elektrofahrzeugs, das mit Li-Ionen-Batterien betrieben wird, von ca. 400 km (250 Meilen) auf 600-800 km (373 bis 497 Meilen) erheblich gesteigert werden kann, wenn es mit Li-S-Batterien betrieben wird.
Während Forscher weltweit aufregende Ergebnisse zu Li-S-Batterien erzielt haben, klafft immer noch eine große Lücke zwischen der Laborforschung und der Kommerzialisierung der Technologie im industriellen Maßstab. Ein Hauptproblem ist der Polysulfid-Shuttle-Effekt von Li-S-Batterien, der zu einem fortschreitenden Auslaufen des aktiven Materials aus der Kathode und zu Lithiumkorrosion führt, was eine kurze Lebensdauer der Batterie zur Folge hat. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Menge des Elektrolyts in der Batterie zu reduzieren und gleichzeitig eine stabile Batterieleistung aufrechtzuerhalten.
Um diese Probleme zu lösen, hat das Team von Prof. Zhao mit internationalen Forschern zusammengearbeitet, um ein Konzept für das Kathodendesign vorzuschlagen, mit dem eine gute Leistung der Li-S-Batterie erreicht werden kann.
Ihr hochgradig orientierter makroporöser Wirt kann den Schwefel gleichmäßig aufnehmen, während reichlich aktive Stellen in den Wirt eingebettet sind, um das Polysulfid fest zu absorbieren und so den Shuttle-Effekt und die Korrosion des Lithiummetalls zu verhindern.
Durch die Entwicklung eines Konstruktionsprinzips für eine Schwefelkathode in Li-S-Batterien konnte das gemeinsame Team die Energiedichte der Batterien erhöhen und einen großen Schritt in Richtung Industrialisierung der Batterien machen.
Wir befinden uns noch mitten in der Grundlagenforschung auf diesem Gebiet. Unser neuartiges Elektrodenkonzept und der damit verbundene Durchbruch bei der Leistung stellen jedoch einen großen Schritt in Richtung der praktischen Anwendung einer Batterie der nächsten Generation dar, die noch leistungsfähiger und langlebiger ist als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien.
-Prof. Zhao
Zu den Teammitgliedern der HKUST gehören Prof. Zhao und seine derzeitigen Doktoranden ZHAO Chen, ZHANG Leicheng und der ehemalige Doktorand REN Yuxun (Absolvent 2019). Weitere Mitarbeiter sind Forscher des Argonne National Laboratory und der Stanford University in den USA, der Xiamen University in Festlandchina und der Imam Abdulrahman Bin Faisal University in Saudi-Arabien.