de.wedoany.com-Bericht: Ein Team unter der Leitung der Akademiemitglieder Sun Shigang und Professor Liao Honggang von der Xiamen-Universität sowie Professor Huang Yunhui von der Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie hat mithilfe einer selbst entwickelten elektrochemischen In-situ-Flüssigphasen-Transmissionselektronenmikroskopie erstmals auf der Nanoskala in Echtzeit die konzentrationsgetriebene Phasentrennung an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche beobachtet. Dabei wurden die Bildung und Entwicklung einer Grenzflächenschicht aus hochkonzentriertem Lithiumpolysulfid in Lithium-Schwefel-Batterien aufgeklärt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Lithium-Schwefel-Batterien gelten als wichtiges System für die nächste Generation von Hochenergie-Speicherbatterien. Unter praxisnahen Bedingungen wie hoher Schwefelbeladung und geringer Elektrolytmenge war die mikroskopische Reaktionskinetik jedoch lange Zeit schwer zu beobachten und zu erklären, was die Steigerung der Energiedichte, der Schnellladefähigkeit und der Zyklenstabilität behinderte. Das Forschungsteam überwand die Grenzen herkömmlicher Beobachtungsmethoden und nutzte die elektrochemische In-situ-Flüssigphasen-Transmissionselektronenmikroskopie, um eine hochauflösende dynamische Echtzeit-Bildgebung dieser Grenzflächenreaktionen zu ermöglichen.
Die Beobachtungen zeigten, dass sich während des Entladevorgangs Lithiumpolysulfid kontinuierlich an der Elektrodengrenzfläche anreichert und eine Phasentrennung eintritt, wodurch eine hochkonzentrierte Grenzflächenschicht aus Ionenclustern entsteht. Dies führt zu zwei Abscheidungswegen für Lithiumsulfid: Zum einen findet eine Ladungsübertragungsreaktion an der Elektrodenoberfläche statt, gefolgt von der Abscheidung; zum anderen erfolgt die Ladungsübertragung im Elektrolyten, woraufhin die Abscheidung und das Wachstum stattfinden. 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 Hochenergie- und Schnelllade-Lithium-Schwefel-Batterien vor. Durch die gezielte Steuerung der Lithiumpolysulfid-Konzentration, des Schwefelgehalts und der Elektroden-Grenzflächenstruktur soll ein Gleichgewicht zwischen oberflächenvermittelter Keimbildung und lösungsvermitteltem Wachstum hergestellt werden, um eine effiziente Schwefelumwandlung zu erreichen und die Batterieleistung zu verbessern. Die Studie enthüllt den Bildungsmechanismus von mikrometerdicken Lithiumsulfid-Ablagerungsschichten und liefert eine neue wissenschaftliche Grundlage für das Design der nächsten Generation von Hochenergie-, Schnelllade- und langlebigen Speichergeräten.
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