de.wedoany.com-Bericht: Einem Forscherteam der japanischen Tohoku-Universität und ihrer Kooperationspartner ist die Entwicklung eines neuartigen molekularen Werkstoffs gelungen, das den langjährigen Polysulfid-Shuttle-Effekt in Lithium-Schwefel-Batterien adressiert und die Technologie einen Schritt näher an die Kommerzialisierung bringt.
Lithium-Schwefel-Batterien bieten eine hohe theoretische Energiedichte und niedrige Kosten. Allerdings wandern während des Betriebs entstehende lösliche Lithiumpolysulfide von der Schwefelkathode zur Lithiumanode, was zu Aktivmaterialverlust, Nebenreaktionen, Selbstentladung und rascher Kapazitätsabnahme führt. Dieser Shuttle-Effekt ist auf die chemischen Reaktionen der Batterie selbst zurückzuführen; frühere Versuche mit physikalischen Barrieren beeinträchtigten oft die Batterieleistung.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelte das Team ein kovalentes organisches Gerüst (COF) namens TUS-44 auf Basis von Tetrathiafulvalen-Kronenether und kombinierte es mit leitfähigem Graphen zu einer funktionalen Schicht TUS-44@G. Das Gerüst enthält Imin-Stickstoff-, Kronenether-Sauerstoff- und schwefelreiche Tetrathiafulvalen-Stellen, die hierarchische Wechselwirkungsstellen für Lithiumpolysulfide bieten, während die Graphenkomponente einen effizienten Elektronentransportweg bereitstellt. Ziel des Teams war es, eine Zwischenschicht zu entwickeln, die Polysulfide nicht nur blockiert, sondern deren Reaktionswege aktiv steuert.
In Batterietests zeigten Zellen mit der TUS-44@G-Schicht eine hohe reversible Kapazität von 1455,7 mAh g⁻¹ bei einer Stromdichte von 0,2 A g⁻¹, eine Ratenleistung von 773 mAh g⁻¹ bei 10 A g⁻¹ und nach 1000 Zyklen bei 5 A g⁻¹ einen Kapazitätsverlust von nur 0,034 % pro Zyklus. Lithium-Schwefel-Pouch-Zellen mit derselben Zwischenschicht erreichten eine anfängliche Energiedichte von etwa 674 Wh kg⁻¹ bei 0,05 A g⁻¹.
Die Forscher erklären, dass COF-Materialien mit molekularer Präzision aufgebaut werden können, wobei ihre periodisch angeordneten Poren hinsichtlich Größe, chemischer Umgebung und elektronischer Eigenschaften programmierbar sind, um Schwefelspezies gleichzeitig einzufangen, zu leiten und zu katalysieren. Saikat Das, außerordentlicher Professor am Institut für multidisziplinäre Materialforschung der Tohoku-Universität, erläuterte, dass das Team eine Zwischenschicht entwickeln wollte, die die Reaktionswege von Polysulfiden aktiv steuert. Professor Yuichi Negishi von der Tohoku-Universität wies darauf hin, dass diese Studie das Potenzial der retikulären Chemie zur Programmierung von Batteriegrenzflächen auf molekularer Ebene zeigt. Das TUS-44@G-Design biete durch die Vereinheitlichung der Polysulfid-Fixierung und der katalytischen Schwefelumwandlung einen Weg zu leichten, langlebigen und hochratenfähigen Lithium-Schwefel-Batterien.
