Graphenschwamm hilft Lithium-Schwefel-Batterien, neues Potenzial zu erreichen

2020-04-21 11:46:17

Um den Anforderungen einer elektrischen Zukunft gerecht zu werden, sind neue Batterietechnologien unerlässlich. Eine Option sind Lithium-Schwefel-Batterien, die eine theoretische Energiedichte bieten, die mehr als das Fünffache der von Lithium-Ionen-Batterien beträgt. Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, haben kürzlich einen vielversprechenden Durchbruch für diesen Batterietyp vorgestellt, bei dem ein Katholyt mit Hilfe eines Graphenschwamms verwendet wurde.

Die neuartige Idee der Forscher ist ein poröses, schwammartiges Aerogel aus reduziertem Graphenoxid, das als freistehende Elektrode in der Batteriezelle fungiert und eine bessere und höhere Nutzung von Schwefel ermöglicht.

Eine herkömmliche Batterie besteht aus vier Teilen. Erstens gibt es zwei mit einem Wirkstoff beschichtete Trägerelektroden, die als Anode und Kathode bekannt sind. Dazwischen befindet sich ein Elektrolyt, im Allgemeinen eine Flüssigkeit, mit dem Ionen hin und her übertragen werden können. Die vierte Komponente ist ein Separator, der als physikalische Barriere wirkt und den Kontakt zwischen den beiden Elektroden verhindert, während gleichzeitig die Übertragung von Ionen ermöglicht wird.

Die Forscher experimentierten zuvor mit der Kombination von Kathode und Elektrolyt zu einer Flüssigkeit, einem sogenannten "Katholyten". Das Konzept kann dazu beitragen, Gewicht im Akku zu sparen, das Laden zu beschleunigen und die Leistung zu verbessern. Mit der Entwicklung des Graphen-Aerogels hat sich das Konzept nun bewährt und einige vielversprechende Ergebnisse geliefert.

Unter Verwendung eines Standard-Knopfzellenbatteriegehäuses tragen die Forscher zunächst eine dünne Schicht des porösen Graphen-Aerogels ein.

"Sie nehmen das Aerogel, das ein langer, dünner Zylinder ist, und schneiden es dann in Scheiben - fast wie eine Salami. Sie nehmen dieses Stück und komprimieren es, um es in die Batterie zu passen", sagt Carmen Cavallo vom Department of Physics bei Chalmers und leitender Forscher der Studie. Dann wird der Batterie eine schwefelreiche Lösung - der Katholyt - zugesetzt. Das hochporöse Aerogel dient als Träger und nimmt die Lösung wie einen Schwamm auf.

"Die poröse Struktur des Graphen-Aerogels ist der Schlüssel. Es nimmt eine große Menge des Katholyten auf und gibt Ihnen eine ausreichend hohe Schwefelbeladung, damit sich das Katholytenkonzept lohnt. Diese Art von halbflüssigem Katholyten ist hier wirklich wichtig. Es ermöglicht den Schwefel ohne Verluste hin und her zu fahren. Es geht nicht durch Auflösung verloren - weil es bereits in der Katholytlösung gelöst ist ", sagt Carmen Cavallo.

Ein Teil der Katholytlösung wird auch auf den Separator aufgetragen, damit dieser seine Elektrolytrolle erfüllt. Dies maximiert auch den Schwefelgehalt der Batterie.

Die meisten derzeit verwendeten Batterien, von Mobiltelefonen bis hin zu Elektroautos, sind Lithium-Ionen-Batterien. Dieser Batterietyp stößt jedoch an seine Grenzen, sodass neue Chemikalien für Anwendungen mit höherem Strombedarf immer wichtiger werden. Lithium-Schwefel-Batterien bieten mehrere Vorteile, einschließlich einer viel höheren Energiedichte. Die derzeit besten Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt arbeiten mit etwa 300 Wattstunden pro kg und einem theoretischen Maximum von etwa 350. Lithium-Schwefel-Batterien haben mittlerweile eine theoretische Energiedichte von etwa 1000 bis 1500 Wattstunden pro kg.

"Darüber hinaus ist Schwefel billig, sehr häufig und viel umweltfreundlicher. Lithium-Schwefel-Batterien haben auch den Vorteil, dass sie kein umweltschädliches Fluor enthalten müssen, wie es üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien vorkommt", sagt Aleksandar Matic, Professor bei Chalmers Fachbereich Physik, der die Forschungsgruppe hinter dem Beitrag leitet.

Das Problem mit Lithium-Schwefel-Batterien war bisher ihre Instabilität und die daraus resultierende geringe Lebensdauer. Aktuelle Versionen degenerieren schnell und haben eine begrenzte Lebensdauer mit einer unpraktisch geringen Anzahl von Zyklen. Beim Testen ihres neuen Prototyps zeigten die Chalmers-Forscher jedoch nach 350 Zyklen eine Kapazitätsbeibehaltung von 85%.

Das neue Design vermeidet die beiden Hauptprobleme beim Abbau von Lithium-Schwefel-Batterien - eines, dass sich der Schwefel im Elektrolyten auflöst und verloren geht, und zwei, ein „Shuttling-Effekt“, bei dem Schwefelmoleküle von der Kathode zur Anode wandern. Bei diesem Design können diese unerwünschten Probleme drastisch reduziert werden.

Lesen Sie den im Journal of Power Sources veröffentlichten Artikel "Ein freistehendes Aerogel mit reduziertem Graphenoxid als Trägerelektrode in einer fluorfreien Li2S8-Katholyt-Li-S-Batterie".

Ein langer Weg zum kommerziellen Potenzial

Die Forscher stellen jedoch fest, dass es noch ein langer Weg ist, bis die Technologie das volle Marktpotenzial erreichen kann. "Da diese Batterien auf alternative Weise aus den meisten normalen Batterien hergestellt werden, müssen neue Herstellungsverfahren entwickelt werden, um sie wirtschaftlich rentabel zu machen", sagt Aleksandar Matic.

Mehr über die in dieser Forschung verwendeten Chalmers-Labore

Die Forscher untersuchten die Struktur des Graphen-Aerogels im Chalmers Materials Analysis Laboratory (CMAL). CMAL verfügt über fortschrittliche Instrumente für die Materialforschung. Das Labor gehört offiziell zum Fachbereich Physik, steht jedoch allen Forschern aus Universitäten, Instituten und der Industrie offen. Die Experimente in dieser Studie wurden mit fortschrittlichen und hochauflösenden Elektronenmikroskopen durchgeführt.

Kürzlich wurden große Investitionen in Höhe von rund 66 Millionen schwedischen Kronen getätigt, um CMAL weiter an die Spitze der Materialforschung zu bringen.

Die Investitionen umfassten den Kauf eines monochromen und mit doppelter Aberration korrigierten (CETCOR-Bild- und ASCOR-Sonden-Cs-Korrektoren) TEM JEOLARM (200 kV) 40-200, der mit einer Feldemissionskanone (FEG) ausgestattet war. Dies war das erste Papier, das mit diesem brandneuen Mikroskop veröffentlicht wurde, mit dem die Struktur des Aerogels untersucht wurde.

Das neue Mikroskop, das so viel wiegt wie ein ausgewachsener Elefant, wird am 15. Mai in einer Zeremonie in Chalmers offiziell eingeweiht.

Die Knut and Alice Wallenberg Foundation hat rund die Hälfte der Investitionen beigesteuert.