Unbrennbar
Doppelte Energiedichte: Neue Lithium-Schwefel-Batterie
Im Lawrence Berkeley National Laboratory funktioniert ein neues Batteriedesign auf Lithium-Schwefel-Basis, das mehr als die zweifache Energiedichte herkömmlicher Lithium-Ionen Batterien besitzt und 1.500 Lade-/Entladezyklen bei akzeptabler Kapazitätsabnahme durchhält.
Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) haben eine neue Lithium-Schwefel Batterie entwickelt, deren Energiedichte zweimal so groß ist, wie die herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien. Der pro Lade-/Entladezyklus erreichte Kapazitätsverlust von nur 0,039 Prozent (bei 1.500 Zyklen) ist der geringste, je bei Lithium-Schwefel-Zellen gemessene.
Den großen technischen Vorteilen der Lithium-Schwefel-Batterien standen in der Praxis bisher einige Nachteile gegenüber. Schwefel ist nicht toxisch, sicher und billig, womit preiswertere und sicherere Batterien, ohne die bei Lithium-Ionen-Zellen berüchtigten Überhitzungs- und Brandprobleme möglich sind. Allerdings lösen sich beim Entladen Lithium-Polysulfide von der Kathode und reagieren mit der Lithium-Anode, wobei sich eine Li2S-Barriereschicht bildet, die die Kapazität der Zelle nach einigen Zyklen stark beeinträchtigt. Ein weiteres Problem ist, dass bei der Reaktion von Schwefel zu Li2S und zurück von Li2S zu Schwefel, das Volumen der Schwefel-Elektroden um bis zu 76 Prozent zu- oder abnimmt und die Schwefel Partikel vom stromführenden Teil der Elektrode elektrisch isoliert werden können.
Gegen diese Probleme setzen die Forscher eine Reihe von Techniken ein. So wird die Kathode aus Schwefel-Graphen-Oxid (S-GO) hergestellt, das die Volumenzu- und -abnahme gut verkraftet, während sich Schwefel bei der Entladung zu Li2S und beim Laden das Li2S wieder zurück zu Schwefel wandelt. Ein elastomerer Verbindungsstoff reduziert die Materialdegradation zusätzlich. Das elastomere Styrol-Butadien-Gummi (SBR) wird mit einem Verdickungsmittel kombiniert und erhöht den Lebenszyklus und die Energiedichte der Batterien erheblich.
Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) wird zur Beschichtung gegen die Problematik der Polysulfid-Verteilung und chemischen Degradation erfolgreich angewandt. Die Beschichtung der Elektroden mit CTAB reduziert die Fähigkeit der Elektrolyte das Elektrodenmaterial zu durchdringen und aufzulösen.
Außerdem entwickelten die Forsche ein neuartiges Elektrolyt, das die Polysulfid-Scheidung verhindert und die mögliche Ladegeschwindigkeit sowie die Leistungsabgabe während der Entladung vergrößert. Der Elektrolyt auf Basis einer ionischen Flüssigkeit erhöht die Sicherheit von Li-S-Batterien, weil ionische Flüssigkeiten unbrennbar und nicht-volatil sind.
Die Energiedichte der Batterie liegt bei 500 Wh/kg und bleibt auch nach 1.000 Zyklen bei über 300 Wh/kg, während die gegenwärtig erhältlichen Li-Io-Batterien bei etwa 200 Wh/kg liegen. Gegenwärtig sucht das Forscherteam Partner und Unterstützer für weitere experimentelle Forschung um die Energiedichte und Performanz der Batterie unter extremen Bedingungen zu verbessern.
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