de.wedoany.com-Bericht: Das Team um Professor Xi Kai von der Xi'an Jiaotong-Universität in China hat einen neuartigen Elektronen-Pinning-Grenzflächenkatalysator entwickelt, der die Fest-Fest-Umwandlungseffizienz von Lithium-Schwefel-Batterien unter mageren Elektrolytbedingungen erheblich beschleunigt. Die damit montierte 3,6-Ah-Pouch-Zelle erreicht eine Energiedichte von 418,6 Wh·kg⁻¹.
Aufgrund ihrer hohen theoretischen Energiedichte, niedrigen Kosten und Umweltfreundlichkeit gelten Lithium-Schwefel-Batterien als vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von Energiespeichertechnologien. Allerdings ist unter den für die industrielle Umsetzung hoher Energiedichten entscheidenden mageren Elektrolytbedingungen die Kinetik der Schwefelreduktionsreaktion stark verlangsamt. Insbesondere die Fest-Fest-Umwandlung von Li₂Sₙ zu Li₂S weist eine hohe Energiebarriere und eine verzögerte Reaktion auf, was leicht zur Anhäufung von Polysulfiden, zur Blockierung aktiver Zentren, zu einer geringen Schwefelausnutzung und einer verminderten Zyklenstabilität führt und somit die großflächige Anwendung einschränkt.
Um dieses Problem zu lösen, schlug das Team um Professor Xi Kai von der Fakultät für Chemie der Xi'an Jiaotong-Universität eine Strategie zur Grenzflächengestaltung mittels Elektronen-Pinning vor, mit der präzise ein neuartiges Katalysesystem aufgebaut wird, das sowohl ferngeordnete als auch lokal ungeordnete Eigenschaften aufweist. Durch die Modifizierung amorpher Nanodomänen und die präzise Steuerung der lokalen elektronischen Struktur konstruierte das Team gradientenartig geordnete aktive Zentren und entwickelte den Elektronen-Pinning-Grenzflächenkatalysator a-FeOOH@Fe/AlOx (EPIC). Dieser Katalysator nutzt mehrstufige Elektronenwechselwirkungen zur katalytischen Verstärkung. Seine einzigartige Struktur bildet effiziente Leitungswege und gradientenartige Elektronendonor-Eigenschaften, wodurch die Entkopplung des Schwefelreduktionsprozesses erfolgreich realisiert und die Fest-Fest-Umwandlungseffizienz unter mageren Elektrolytbedingungen erheblich beschleunigt wird.
Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden unter dem Titel „Beschleunigung der Fest-Fest-Umwandlungskinetik durch Elektronenverankerungs-Grenzflächengestaltung zur Konstruktion von Lithium-Schwefel-Batterien mit hoher Energiedichte“ in der Materialwissenschaftszeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Die Assistenzprofessoren Jin Li, die Doktoranden Jin Zhengqian und Deng Teng sind die gemeinsamen Erstautoren, Professor Xi Kai ist der korrespondierende Autor, und die Xi'an Jiaotong-Universität ist die einzige korrespondierende Einrichtung der Arbeit. Die Arbeit erhielt Anleitung von Experten wie Professor R. Vasant Kumar von der University of Cambridge, Professor Peng Luming von der Nanjing-Universität, Professor Pang Quanquan von der Peking-Universität und Professor Fu Yongzhu von der Zhengzhou-Universität. Sie wurde durch Projekte wie das Förderprojekt und das Flächenprojekt des wichtigen Forschungsplans „Über traditionelle Batteriesysteme hinaus“ der National Natural Science Foundation of China, den Jugendfonds der National Natural Science Foundation of China, das Postdoktoranden-Flächenprojekt Chinas, den Jugendfonds der Provinz Shaanxi und das Innovations-Talente-Programm Qinchuangyuan der Provinz Shaanxi unterstützt.
