Nanotechnology Now – Pressemitteilung: Bisher unbekannter Weg zu Batterien mit hoher Energie, niedrigen Kosten und langer Lebensdauer: Neu entdeckter Reaktionsmechanismus überwindet schnellen Leistungsabfall bei Lithium-Schwefel-Batterien

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Unterschiedliche Reaktionswege von Lithiumpolysulfid (Li₂S₆) zu Lithiumsulfid (Li₂S) in Lithium-Schwefel-Batterien mit (links) und ohne (rechts) Katalysator in der Schwefelkathode. KREDIT
(Bild vom Argonne National Laboratory.)

Abstract:
Wissenschaftler entdecken einen überraschenden Weg zu besseren Lithium-Schwefel-Batterien, indem sie Reaktionen auf atomarer Ebene visualisieren.

Bisher unbekannter Weg zu Batterien mit hoher Energie, geringen Kosten und langer Lebensdauer: Neu entdeckter Reaktionsmechanismus überwindet schnellen Leistungsabfall bei Lithium-Schwefel-Batterien

Lemont, IL | Gepostet am 8. September 2023

Der Weg vom Durchbruch im Labor zur praktischen Technologie kann lang und holprig sein. Ein Beispiel ist die Lithium-Schwefel-Batterie. Es bietet deutliche Vorteile gegenüber aktuellen Lithium-Ionen-Batterien, die Fahrzeuge antreiben. Trotz intensiver Entwicklung über viele Jahre hat es den Markt jedoch noch nicht beeinträchtigt.

Dank der Bemühungen von Wissenschaftlern des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) könnte sich diese Situation in Zukunft ändern. Im letzten Jahrzehnt haben sie mehrere entscheidende Entdeckungen im Zusammenhang mit Lithium-Schwefel-Batterien gemacht. Ihre neueste, in Nature veröffentlichte Entdeckung enthüllt einen bisher unbekannten Reaktionsmechanismus, der ein großes Manko behebt – die sehr kurze Lebensdauer der Batterien.

Gui-Liang

Lithium-Schwefel-Batterien bieten gegenüber aktuellen Lithium-Ionen-Batterien drei wesentliche Vorteile. Erstens können sie in einem gegebenen Volumen zwei- bis dreimal mehr Energie speichern, was zu größeren Fahrzeugreichweiten führt. Zweitens sind sie aufgrund ihrer geringeren Kosten, die durch die Fülle und Erschwinglichkeit von Schwefel begünstigt werden, wirtschaftlich rentabel. Schließlich sind diese Batterien nicht auf kritische Ressourcen wie Kobalt und Nickel angewiesen, die in Zukunft möglicherweise knapp werden.

Trotz dieser Vorteile hat sich der Übergang vom Laborerfolg zur kommerziellen Realisierbarkeit als schwierig erwiesen. Laborzellen haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt, aber wenn sie auf kommerzielle Größe vergrößert werden, lässt ihre Leistung bei wiederholtem Laden und Entladen schnell nach.

Die zugrunde liegende Ursache für diesen Leistungsabfall liegt in der Auflösung von Schwefel aus der Kathode während der Entladung, was zur Bildung löslicher Lithiumpolysulfide (Li2S6) führt. Diese Verbindungen fließen während des Ladevorgangs in die negative Metallelektrode (Anode) des Lithiummetalls, was das Problem weiter verschärft. Folglich beeinträchtigen der Schwefelverlust aus der Kathode und Veränderungen in der Anodenzusammensetzung die Leistung der Batterie während des Zyklus erheblich.

In einer kürzlich durchgeführten früheren Studie haben Argonne-Wissenschaftler ein katalytisches Material entwickelt, das bei Zugabe einer kleinen Menge zur Schwefelkathode das Schwefelverlustproblem im Wesentlichen beseitigt. Während sich dieser Katalysator sowohl in Zellen im Labor- als auch im kommerziellen Maßstab als vielversprechend erwies, blieb sein Wirkmechanismus im atomaren Maßstab bislang ein Rätsel.

Die neuesten Forschungen des Teams geben Aufschluss über diesen Mechanismus. In Abwesenheit des Katalysators bilden sich Lithiumpolysulfide an der Kathodenoberfläche und durchlaufen eine Reihe von Reaktionen, die letztendlich die Kathode in Lithiumsulfid (Li2S) umwandeln.

„Aber das Vorhandensein einer kleinen Menge Katalysator in der Kathode macht den entscheidenden Unterschied“, sagte Xu. „Es folgt ein ganz anderer Reaktionsweg, der frei von Zwischenreaktionsschritten ist.“

Entscheidend ist die Bildung dichter nanoskaliger Blasen aus Lithiumpolysulfiden auf der Kathodenoberfläche, die ohne den Katalysator nicht entstehen. Diese Lithiumpolysulfide breiten sich während der Entladung schnell in der Kathodenstruktur aus und wandeln sich in Lithiumsulfid um, das aus nanoskaligen Kristalliten besteht. Dieser Prozess verhindert den Schwefelverlust und den Leistungsabfall in Zellen kommerzieller Größe.

Um diese Black Box rund um den Reaktionsmechanismus zu entschlüsseln, verwendeten die Wissenschaftler modernste Charakterisierungstechniken. Analysen der Struktur des Katalysators mit den intensiven Synchrotron-Röntgenstrahlen an Strahllinie 20-BM der Advanced Photon Source, einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Science, ergaben, dass er eine entscheidende Rolle im Reaktionsweg spielt. Die Katalysatorstruktur beeinflusst die Form und Zusammensetzung des Endprodukts beim Austrag sowie der Zwischenprodukte. Mit dem Katalysator bildet sich bei vollständiger Entladung nanokristallines Lithiumsulfid. Ohne den Katalysator bilden sich stattdessen mikroskalige stäbchenförmige Strukturen.

„Die Bemühungen unseres Teams könnten die USA einer umweltfreundlicheren und nachhaltigeren Transportlandschaft einen großen Schritt näher bringen.“ — Gui-Liang Xu, Chemiker in der Abteilung für chemische Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften von Argonne

Eine weitere wichtige Technik, die an der Universität Xiamen entwickelt wurde, ermöglichte es dem Team, die Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche im Nanomaßstab zu visualisieren, während eine Testzelle in Betrieb war. Diese neu erfundene Technik trug dazu bei, Veränderungen im Nanomaßstab mit dem Verhalten einer funktionierenden Zelle in Verbindung zu bringen.

„Basierend auf unserer aufregenden Entdeckung werden wir mehr Forschung betreiben, um noch bessere Schwefelkathoden zu entwickeln“, bemerkte Xu. „Es wäre auch lohnenswert zu untersuchen, ob dieser Mechanismus auch auf andere Batterien der nächsten Generation anwendbar ist, beispielsweise auf Natrium-Schwefel.“

Mit diesem jüngsten Durchbruch des Teams sieht die Zukunft von Lithium-Schwefel-Batterien rosiger aus und bietet eine nachhaltigere und umweltfreundlichere Lösung für die Transportindustrie.

Ein Artikel zu dieser Forschung erschien in Nature. Zu den Autoren zählen neben Xu auch Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Yuzi Liu und Yu Deng , Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun und Hong-Gang Liao.

Weitere teilnehmende Institutionen sind die Xiamen University, die Beijing University of Chemical Technology und die Nanjing University. Die Argonne-Forschung wurde vom DOE Office of Vehicle Technologies im Office of Energy Efficiency and Renewable Energy unterstützt.

Informationen zur erweiterten Photonenquelle

Die Advanced Photon Source (APS) des US-Energieministeriums des Science Office des Argonne National Laboratory ist eine der produktivsten Röntgenlichtquellen der Welt. Das APS bietet Röntgenstrahlen mit hoher Helligkeit für eine vielfältige Gemeinschaft von Forschern aus den Bereichen Materialwissenschaften, Chemie, Festkörperphysik, Lebens- und Umweltwissenschaften sowie angewandte Forschung. Diese Röntgenstrahlen eignen sich ideal zur Erforschung von Materialien und biologischen Strukturen; Elementverteilung; chemische, magnetische, elektronische Zustände; und eine breite Palette technologisch wichtiger technischer Systeme, von Batterien bis hin zu Einspritzdüsen, die alle die Grundlage für das wirtschaftliche, technologische und physische Wohlergehen unseres Landes bilden. Jedes Jahr verwenden mehr als 5,000 Forscher das APS, um über 2,000 Veröffentlichungen zu erstellen, in denen wichtige Entdeckungen detailliert beschrieben werden, und um wichtigere biologische Proteinstrukturen zu lösen als Benutzer anderer Forschungseinrichtungen für Röntgenlichtquellen. Wissenschaftler und Ingenieure von APS innovieren Technologien, die das Herzstück der Weiterentwicklung von Beschleuniger- und Lichtquellenbetrieben bilden. Dazu gehören Insertionsgeräte, die von Forschern geschätzte Röntgenstrahlen mit extremer Helligkeit erzeugen, Linsen, die die Röntgenstrahlen auf wenige Nanometer fokussieren, Instrumente, die die Interaktion der Röntgenstrahlen mit den untersuchten Proben maximieren, sowie Software, die und sammelt verwaltet die enorme Datenmenge, die sich aus der Entdeckungsforschung am APS ergibt.

Bei dieser Untersuchung wurden Ressourcen der Advanced Photon Source verwendet, einer Benutzereinrichtung des US-amerikanischen DOE Office of Science, die vom Argonne National Laboratory unter der Vertragsnummer DE-AC02-06CH11357 für das DOE Office of Science betrieben wird.

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Über DOE/Argonne National Laboratory
Das Argonne National Laboratory sucht Lösungen für drängende nationale Probleme in Wissenschaft und Technologie. Als erstes nationales Labor des Landes führt Argonne führende Grundlagenforschung und angewandte wissenschaftliche Forschung in praktisch allen wissenschaftlichen Disziplinen durch. Die Forscher von Argonne arbeiten eng mit Forschern von Hunderten von Unternehmen, Universitäten und Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um ihnen bei der Lösung ihrer spezifischen Probleme zu helfen, die wissenschaftliche Führung Amerikas voranzutreiben und die Nation auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Mit Mitarbeitern aus mehr als 60 Nationen wird Argonne von UChicago Argonne, LLC für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet.

Das Office of Science des US-Energieministeriums ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den physikalischen Wissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen. Für weitere Informationen besuchen Sie https://energy.gov/science.

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Kontakte:
Diana Anderson
DOE / Argonne National Laboratory

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