Neues Kathodendesign verbessert die Leistung der nächsten Batterie-Generation signifikant

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Ein Team unter der Leitung von Cheong Ying Chan Professor of Engineering and Environment Prof. ZHAO Tianshou, Lehrstuhlinhaber für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Direktor des HKUST Energy Institute, hat ein neuartiges Kathoden-Designkonzept für Lithium-Schwefel (Li-S)-Batterien vorgeschlagen, das die Leistung dieser Art von vielversprechenden Batterien der nächsten Generation erheblich verbessert.
Li-S-Batterien gelten als attraktive Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion), die häufig in Smartphones, Elektrofahrzeugen und Drohnen eingesetzt werden.

Sie sind bekannt für ihre hohe Energiedichte, während ihr Hauptbestandteil, Schwefel, reichlich vorhanden, leicht, billig und umweltfreundlich ist.
Li-S-Batterien können potenziell eine Energiedichte von über 500 Wh/kg bieten, deutlich besser als Li-Ionen-Batterien, die bei 300 Wh/kg ihre Grenze erreichen.

Die höhere Energiedichte bedeutet, dass die ungefähre Reichweite von 400 km eines Elektrofahrzeugs, das mit Li-Ionen-Batterien betrieben wird, erheblich auf 600-800 km erweitert werden kann, wenn es mit Li-S-Batterien betrieben wird.

Obwohl Forscher auf der ganzen Welt aufregende Ergebnisse zu Li-S-Batterien erzielt haben, klafft immer noch eine große Lücke zwischen Laborforschung und Kommerzialisierung der Technologie im industriellen Maßstab. Ein Hauptproblem ist der Polysulfid-Shuttle-Effekt von Li-S-Batterien, der ein fortschreitendes Auslaufen des aktiven Materials aus der Kathode und Lithiumkorrosion verursacht, was zu einer kurzen Lebensdauer der Batterie führt. Eine weitere Herausforderung ist die Reduzierung der Elektrolytmenge in der Batterie bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer stabilen Batterieleistung.
Um diese Probleme zu lösen, arbeitete das Team von Prof. Zhao mit internationalen Forschern zusammen, um ein Konzept für das Kathodendesign vorzuschlagen, das eine gute Li-S-Batterieleistung erzielen kann.
Der hoch orientierte makroporöse Wirt kann den Schwefel gleichmäßig aufnehmen, während reichlich aktive Stellen im Inneren des Wirts eingebettet sind, um das Polysulfid fest zu absorbieren, wodurch der Shuttle-Effekt und die Korrosion des Lithiummetalls vermieden werden.

Durch die Erarbeitung eines Konstruktionsprinzips für Schwefelkathoden in Li-S-Batterien konnte das gemeinsame Team die Energiedichte der Batterien erhöhen und einen großen Schritt in Richtung Industrialisierung der Batterien machen.
“Wir befinden uns noch mitten in der Grundlagenforschung auf diesem Gebiet”, sagte Prof. Zhao. “Unser neuartiges Elektroden-Design-Konzept und der damit verbundene Durchbruch in der Leistungsfähigkeit sind jedoch ein großer Schritt in Richtung des praktischen Einsatzes einer Batterie der nächsten Generation, die noch leistungsfähiger und langlebiger ist als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien.”
Ihre Forschungsarbeit wurde kürzlich in Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Referenz: “A high-energy and long-cycling lithium-sulfur pouch cell via a macroporous catalytic cathode with double-end binding sites” von Chen Zhao, Gui-Liang Xu, Zhou Yu, Leicheng Zhang, Inhui Hwang, Yu-Xue Mo, Yuxun Ren, Lei Cheng, Cheng-Jun Sun, Yang Ren, Xiaobing Zuo, Jun-Tao Li, Shi-Gang Sun, Khalil Amine und Tianshou Zhao, 3 December 2020, Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/s41565-020-00829-5
Zu den Teammitgliedern von der HKUST gehören Prof. Zhao und seine aktuellen Doktoranden ZHAO Chen, ZHANG Leicheng und der ehemalige Doktorand REN Yuxun (Absolvent 2019). Weitere Mitarbeiter sind Forscher des Argonne National Laboratory und der Stanford University in den USA, der Xiamen University in Festlandchina und der Imam Abdulrahman Bin Faisal University in Saudi-Arabien.

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