Daegu Gyeongbuk Institute Mit Sand zu besseren Lithium-Schwefel-Akkus

Erstautor der Studie und Promotionsstudent Byong-June Lee (links) neben Prof. Jong-Sung Yu vom Department of Energy Science and Engineering, Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (DGIST).
Erstautor der Studie und Promotionsstudent Byong-June Lee (links) neben Prof. Jong-Sung Yu vom Department of Energy Science and Engineering, Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (DGIST).

Wegen der rasanten Zunahme mobiler Anwendungen suchen Wissenschaftler weltweit nach einem vielversprechenden Kandidaten, um Lithium-Ionen-Akkus abzulösen. Darunter fallen Lithium-Schwefel-Akkus, wären da nicht ein zwei Probleme. Südkoreanische Forscher wollen beide nun mit Sand gelöst haben.

Weltweit suchen Wissenschaftler nach dem nächsten Durchbruch bei wiederaufladbaren Batterien. Lithium-Schwefel-Batterien (LSBs) ­– bestehend aus einer schwefelbasierten Kathode und einer Lithium-Anode, eingebettet in einen flüssigen Elektrolyten – sind vielversprechende Kandidaten, um die allgegenwärtige Lithium-Ionen-Batterie abzulösen, denn sie sind kostengünstig, ungiftig und leicht verfügbar.

Allerdings erweist sich der Einsatz von Schwefel in Batterien aus zwei Gründen als heikel. Erstens bilden sich während des Entladens lösliche Lithium-Polysulfide (LiPS) an der Kathode. Diese können in den Elektrolyten diffundieren und sich leicht an der Anode anlagern, was die Kapazität des Akkus über die Zeit verringert. Zweitens leitet Schwefel nicht elektrisch. Daher ist ein elektrisch leitendes, poröses Wirtsmaterial erforderlich, das den Schwefel aufnimmt und gleichzeitig die LiPS in der Kathode festhält. Aufgrund ihrer Leitfähigkeit wurden in der jüngsten Vergangenheit Wirtsstrukturen auf Kohlenstoffbasis erforscht. Allerdings können diese Wirtsmaterialien die Lithium-Polysulfide nicht binden.

In einer kürzlich in Advanced Energy Materials veröffentlichten Studie schlagen Wissenschaftler des Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology eine neuartige Wirtsstruktur mit dem Namen »platelet ordered mesoporous silica« (pOMS) vor, zu Deutsch in etwa »plättchenweise geordneter, mesoporöses Siliziumdioxid«. Das Ungewöhnliche an ihrer Lösung ist, dass Siliziumdioxid, das es buchstäblich wie Sand am Meer gibt, eigentlich elektrisch nicht leitet. Allerdings ist Siliziumdioxid stark polar und zieht daher andere polare Moleküle wie die LiPS an.

Beim Aufbringen eines leitfähigen, kohlenstoffbasierten Materials auf die pOMS-Struktur löst sich der anfängliche feste Schwefel in Anwesenheit des Elektrolyts in der Porenstruktur auf. Von dort diffundiert er dann in Richtung des leitfähigen, kohlenstoffbasierten Materials, um reduziert zu werden und die Lithium-Polysulfide zu erzeugen. Auf diese Weise nimmt der Schwefel trotz der fehlenden elektrischen Leitfähigkeit des Siliziumdioxids effektiv an den elektrochemischen Reaktionen teil. In der Zwischenzeit sorgt die polare Natur des pOMS dafür, dass die LiPS nahe an der Kathode bleiben und von der Anode ferngehalten werden.

Kapazität bleibt länger stabil

Außerdem schufen die Wissenschaftler eine entsprechende unpolare, hoch leitfähige, konventionelle poröse Wirtsstruktur aus Kohlenstoff, um vergleichende Experimente mit der pOMS-Struktur durchzuführen. Prof. Jong-Sung Yu, der die Studie leitete, bemerkt dazu: »Die Batterie mit dem Wirtsmaterial Kohlenstoff weist eine hohe Anfangskapazität auf, die aufgrund der schwachen Wechselwirkung zwischen unpolarem Kohlenstoff und Lithium-Polysulfide bald abnimmt. Die Struktur aus Siliziumdioxid hält während kontinuierlicher Zyklen deutlich mehr Schwefel zurück. Dies bewirkt, dass die Kapazitäten über bis zu 2000 Zyklen wesentlich stabiler sind.«

Berücksichtigt man all dies, so ist die vielleicht wichtigste Erkenntnis, die sich aus dieser Studie ableiten lässt, dass Wirtsstrukturen für Lithium-Schwefel-Batterien nicht so leitfähig sein müssen, wie bislang angenommen. Prof. Yu meint dazu: »Unsere Ergebnisse sind überraschend, denn niemand hätte jemals gedacht, dass elektrisch nicht leitfähiges Siliziumdioxid ein hocheffizienter Wirt für Schwefel sein und sogar moderne Wirtsstrukturen für Kohlenstoff übertreffen könnte.«

Diese Studie erweitert die Auswahl der Wirtsmaterialien für Lithium-Schwefel-Batterien und könnte zu einem Paradigmenwechsel bei der Realisierung von Schwefelbatterien der nächsten Generation führen.

Originalveröffentlichung

Byong-June Lee, et al.; Revisiting the Role of Conductivity and Polarity of Host Materials for Long-Life Lithium-Sulfur Battery; Advanced Energy Materials, DOI: 10.1002/aenm.201903934