Forschung -

Spezielles Polymer verbessert Lithium-Schwefel-Batterien

Lithium-Schwefel-Batterien sind aussichtsreiche Kandidaten für den Ersatz von Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen, denn sie sind kostengünstiger, sind leichter und können fast die doppelte Energiemenge bei gleicher Masse speichern. Lithium-Schwefel-Batterien werden jedoch im Laufe der Zeit instabil und deren Elektroden verfallen.

Ein Forscherteam vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) berichtete nunmehr, dass eine neue Komponente in der Lithium-Schwefel-Batterie im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Schwefel-Batterien die Speicherkapazität verdoppelt.

Diese Verdoppelung bestand auch nach mehr als 100 Ladezyklen mit hohen Stromdichten, eine wichtige Performancespezifikation für eine Adaption der Batterie in elektrischen Fahrzeugen und in der Luftfahrt.

Schlüssel zum Erfolg war ein neuer Polymerbinder, der wichtige Ionentransportprozesse innerhalb der Lithium-Schwefel-Batterie aktiv reguliert. Sogar die Funktion dieses Prozesses auf molekularer Ebene ließ sich beobachten. Der Forschungsbericht erschien in "Nature Communications".

"Das neue Polymer funktioniert wie eine Wand," sagte der Wissenschaftler Brett Helms von der Molecular Foundry. “Der Schwefel wird in die Poren eines Kohlenstoffwirts geladen. Die Poren werden dann mit unserem Polymer versiegelt".

"Sobald sich der Schwefel an den chemischen Reaktionen der Batterie beteiligt, verhindert das Polymer das Auswandern der negativ geladenen Schwefelverbindungen. Die Applikation dieser Batterie hat damit sehr gute Chancen in den zukünftigen Elektroautos."

Wenn eine Lithium-Schwefel-Batterie Energie speichert und wieder abgibt, erzeugt die chemische Reaktion mobile Schwefelmoleküle, die sich normalerweise von der Elektrode lösen, wodurch diese sich verschlechtert und im Laufe der Zeit die Kapazität reduziert.

Um diese Batterien stabiler zu gestalten, entwickelten Forscher bisher für die Elektroden Schutzschichten sowie neue Polymerbinder, die wie Klebstoff die Batteriekomponenten zusammenhalten. Diese Binder sollen das Schwellen und Zersplittern der Elektroden unter Kontrolle halten.

Der neue Binder geht jedoch einen Schritt weiter. Forscher von der 'Organic Synthesis Facility', entwickelten ein Polymer, das den Schwefel sehr nahe an die Elektroden bringt, und zwar durch die selektive Bindung der Schwefelmoleküle, die den Migrationstendenzen entgegenwirkt.

Als nächsten Schritt untersuchte man die dynamischen Strukturveränderungen, die sehr wahrscheinlich während der Lade- und Entladeprozesse auftreten.

David Prendergast, Direktor der 'Foundry’s Theory Facility', und Tod Pascal, ein Projektwissenschaftler, erstellten eine Testsimulation für die Hypothese der Forscher über das Verhalten des Polymers.

"Wir können nunmehr die Schwefelchemie innerhalb dieser Binder aufgrund der Erkenntnisse detaillierter Quantenmechaniksimulationen von den aufgelösten Schwefel enthaltenen Produkten sicher und effizient modellieren," sagte Prendergast.

Im Rahmen des Forschungsprojektes untersuchte das Team auch die Performance von Lithium-Schwefel-Zellen mit ihren neuen Polymerbindern.

Mit mehreren Experimenten konnte man analysieren und quantifizieren, wie das Polymer die chemische Reaktion in der Schwefelkathode beeinflusst - der Schlüssel zum Erreichen hoher Stromdichten und hoher Leistung in diesen Zellen.

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