Wie am 24. Juni von der Xiamen-Universität bekannt gegeben wurde, hat das Team um die Akademiemitglieder Sun Shigang und Professor Liao Honggang in Zusammenarbeit mit dem Team von Professor Huang Yunhui von der Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie mithilfe einer eigens entwickelten elektrochemischen In-situ-Flüssigphasen-Transmissionselektronenmikroskopie erstmals konzentrationsgetriebene Phasentrennungsphänomene an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche beobachtet. Dabei wurden die Bildungs- und Entwicklungsgesetze der hochkonzentrierten Polysulfid-Zwischenschicht in Lithium-Schwefel-Batterien aufgedeckt, was eine neue theoretische Grundlage für das Design und die Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batteriesystemen mit hoher Energiedichte und Schnellladefähigkeit liefert. Die entsprechenden Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Lithium-Schwefel-Batterien sind ein wichtiges System für die nächste Generation von Hochenergie-Speicherbatterien. Unter praxisnahen Bedingungen mit hoher Schwefelbeladung und geringem Elektrolytvolumen sind die mikroskopischen Reaktionsmechanismen im Inneren jedoch schwer zu beobachten und zu erklären, was die Verbesserung der Energiedichte, der Schnellladefähigkeit und der Zyklenstabilität der Batterien seit langem einschränkt. Diese Studie durchbricht die Grenzen herkömmlicher Beobachtungsmethoden und ermöglicht mithilfe der elektrochemischen In-situ-Flüssigphasen-Transmissionselektronenmikroskopie eine hochauflösende Echtzeit-Dynamikbildgebung der Grenzflächenreaktionen in Lithium-Schwefel-Batterien im Nanometerbereich.

Die Studie ergab, dass sich während des Entladevorgangs Lithiumpolysulfide kontinuierlich an der Elektrodengrenzfläche anreichern und eine Phasentrennung eintritt, wodurch eine hochkonzentrierte Grenzschicht mit Ionenclustern entsteht. Dies führt zu zwei Abscheidungswegen für Lithiumsulfid: Zum einen finden an der Elektrodenoberfläche Ladungstransferreaktionen und Abscheidung statt, zum anderen erfolgen Ladungstransfer und Abscheidungswachstum im Elektrolyten. Beide Wege bestimmen gemeinsam die Effizienz und Stabilität der Schwefelumwandlungsreaktion in Lithium-Schwefel-Batterien.

Basierend auf diesen Erkenntnissen schlug das Team Optimierungsstrategien für das Materialdesign und die Grenzflächenkontrolle von hochenergetischen, schnellladefähigen Lithium-Schwefel-Batterien vor. Diese bestehen darin, durch eine angemessene Regulierung der Lithiumpolysulfid-Konzentration, des Schwefelgehalts und der Elektroden-Grenzflächenstruktur ein Gleichgewicht zwischen oberflächenvermittelter Keimbildung und lösungsvermitteltem Wachstum herzustellen, um eine effiziente Schwefelumwandlung zu erreichen und die Leistung der Lithium-Schwefel-Batterien zu verbessern.

Diese Studie lüftet das Rätsel um die Bildung von mikrometerdicken Lithiumsulfid-Ablagerungsschichten in Lithium-Schwefel-Batterien und liefert eine neue wissenschaftliche Grundlage für das Design der nächsten Generation von Energiespeichergeräten mit hoher Energiedichte, Schnellladefähigkeit und langer Lebensdauer.