Lithium-Schwefel-Batterien sind wiederaufladbare Batterien, die sich durch ihre hohe spezifische Energie auszeichnen und eine theoretische Energiedichte bieten können, die mehr als das Fünffache der von Lithium-Ionen-Batterien beträgt.
Um unsere elektrische Zukunft aufzubauen, benötigen wir alle Arten von neuen und leistungsstarken Batterien, und Lithium-Schwefel-Batterien sind gute Kandidaten, aber noch nicht marktfähig.
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Dies liegt daran, dass sie zwei Hauptprobleme haben. Das erste ist, dass sich der Schwefel im Elektrolyten löst. Das zweite ist, dass Schwefelmoleküle von der Kathode zur Anode wandern.
Ein 'Katholyt'
Jetzt haben Forscher an der Chalmers University of Technology, Schweden enthüllt ein vielversprechender Durchbruch für Lithium-Schwefel-Batterien. Die Entdeckung besteht darin, Kathode und Elektrolyt zu einer Flüssigkeit zu kombinieren, die als "Katholyt" bezeichnet wird.
Eine herkömmliche Batterie besteht aus vier Teilen: zwei Stützelektroden, einer Anode und einer Kathode sowie einem Elektrolyten und einem Separator, der als physikalische Barriere fungiert und den Kontakt zwischen den beiden Elektroden verhindert, aber dennoch die Übertragung ermöglichtvon Ionen.
Die Kombination von Kathode und Elektrolyt kann nicht nur zur Gewichtsersparnis im Akku beitragen, sondern bietet auch das Potenzial, eine bessere Aufladung und eine bessere Leistung zu erzielen.
Das Team hat ein poröses, schwammartiges Aerogel aus reduziertem Graphenoxid erfunden. Das Graphen-Aerogel fungiert als freistehende Elektrode in der Batteriezelle und ermöglicht eine höhere Nutzung von Schwefel.
"Sie nehmen das Aerogel, das ein langer, dünner Zylinder ist, und schneiden es dann in Scheiben - fast wie eine Salami. Sie nehmen diese Scheibe und komprimieren sie, um sie in die Batterie zu passen." sagt Carmen Cavallo vom Fachbereich Physik in Chalmers und leitende Forscherin der Studie.
"Die poröse Struktur des Graphen-Aerogels ist entscheidend. 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 ermöglichtDer Schwefel geht verlustfrei hin und her. Er geht nicht durch Auflösung verloren - weil er bereits in der Katholytlösung gelöst ist ", fügt Cavallo hinzu.
Dies ist jedoch nicht der einzige Zweck der Katholytenlösung. Sie wird auch auf den Separator angewendet, damit dieser seine Elektrolytfunktion erfüllt und den Schwefelgehalt der Batterie weiter maximiert.
Höhere Energiedichte
Lithium-Schwefel-Batterien sind aufgrund ihrer höheren Energiedichte sehr erwünscht. Die besten Lithium-Ionen-Batterien arbeiten bei etwa 300 Wattstunden pro kg während Lithium-Schwefel-Batterien eine Energiedichte von etwa bieten können 1000-1500 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 am Chalmers Department of Physics, der die Forschungsgruppe hinter dem Artikel leitet.
Bisher waren Lithium-Schwefel-Batterien jedoch instabil und hatten daher eine geringe Lebensdauer. Der neue Prototyp hat jedoch eine 85% Kapazitätsbeibehaltung nach 350 Zyklen unter Vermeidung aller Probleme im Zusammenhang mit Lithium-Schwefel-Batterien.
Die Studie ist veröffentlicht in Journal of Power Sources .