Lithium-Schwefel-Batterie von der Vanderbilt University und weiteren entwickelt – über 1700 Wattstunden pro Kilogramm Schwefel

de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Vanderbilt University und der University of Maryland in den USA hat ein neues Lithium-Schwefel-Batterie-Chemiesystem entwickelt, bei dem durch die Einführung von Chlor ein Schwefelatom während des Lade- und Entladevorgangs ein zusätzliches Elektron austauscht. Dadurch steigt die Ladungsspeicherkapazität von Schwefel um etwa 58 %, und die durchschnittliche Betriebsspannung erhöht sich von etwa 2,05 Volt auf 2,54 Volt.

Schwefel ist reichlich vorhanden und relativ kostengünstig, und seine gravimetrische Energiespeicherkapazität ist deutlich höher als die von üblicherweise für Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien. Daher gilt er als eine Alternative für Kathodenmaterialien. Herkömmliche Lithium-Schwefel-Chemiesysteme arbeiten jedoch bei relativ niedriger Spannung, sodass ein Teil der Redoxfähigkeit von Schwefel ungenutzt bleibt.

De-en Jiang, H. Eugene McBrayer-Lehrstuhlinhaber für Chemieingenieurwesen und Professor für Chemie an der Vanderbilt University, erklärte, der Ansatz herkömmlicher Lithium-Schwefel-Batterien lasse einen Teil der Redoxfähigkeit von Schwefel ungenutzt. Das Forschungsteam wolle die Redoxfähigkeit von Schwefel erweitern, um mehr Energie zu speichern. In herkömmlichen Lithium-Schwefel-Batterien tausche jedes Schwefelatom beim Laden und Entladen nur zwei Elektronen aus; nach der Einführung von Chlor werde dieser Prozess erweitert, sodass Schwefel ein drittes Elektron austauschen könne.

Die zusätzliche Reaktion findet bei höherer Spannung statt, und Speicherkapazität sowie Spannung steigen gemeinsam. In experimentellen Zellen können pro Kilogramm Schwefel über 1700 Wattstunden Energie gespeichert werden.

Damit diese zusätzliche Reaktion reversibel abläuft, musste ein weiteres Problem gelöst werden: Beim Laden muss Chlor mit Schwefel reagieren, zugleich dürfen die entstehenden Schwefel-Chlor-Verbindungen nicht innerhalb der Batterie wandern und mit der Lithium-Metall-Elektrode reagieren. Das Team untersuchte mithilfe von Molekülsimulationen das Verhalten von Lithium-Ionen und Chlorid-Ionen in verschiedenen Elektrolyten und entwickelte auf dieser Grundlage einen Elektrolyten, der Chlor an der Schwefelreaktion beteiligt hält. Zudem wurde ein Elektrolyt gewählt, in dem ein Produkt der Schwefel-Chlor-Reaktion schwer löslich ist, sodass dieser Stoff im Inneren der Kathode verbleibt und die Reaktion beim Entladen umgekehrt werden kann. Mehrere spektroskopische Techniken bestätigten anschließend, dass Schwefel während des Lade- und Entladevorgangs wiederholt in diesen neu erschlossenen chemischen Zustand übergeht.

Die Forschenden stellten außerdem eine kleine einlagige Pouch-Zelle her, um die Leistung dieses Chemiesystems über die in der frühen Batterieforschung üblichen Knopfzellen hinaus zu validieren. Nach 100 Lade- und Entladezyklen behielt diese Pouch-Zelle eine Kapazitätserhaltung von 78 %.

Diese Technologie befindet sich noch in einer frühen Validierungsphase. Der Prototyp verwendet eine Lithium-Metall-Elektrode, die Schwefelmenge ist relativ begrenzt, und der Elektrolytverbrauch liegt über dem für kommerzielle Batterien idealen Niveau. Unter Berücksichtigung der wichtigsten Batteriekomponenten und nicht nur der Elektroden schätzten die Forschenden, dass dieses Konzept eine spezifische Energie auf Zellebene von 477 Wattstunden pro Kilogramm erreichen könnte, was etwa 37 % mehr ist als bei dem als Vergleich dienenden herkömmlichen Lithium-Schwefel-System in der Studie.

Die relevanten Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.