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Neue Lithium-Schwefel-Batteriekomponente verdoppelt die Kapazität
Aug 09, 2018

Lithium-Schwefel-Batterien sind vielversprechende Kandidaten, um herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen zu ersetzen, da sie billiger sind, weniger wiegen und fast die doppelte Energie für die gleiche Masse speichern können. Lithium-Schwefel-Batterien werden jedoch im Laufe der Zeit instabil, und ihre Elektroden verschlechtern sich, wodurch eine weitverbreitete Anwendung eingeschränkt wird.

 

Jetzt hat ein Forscherteam unter Leitung von Wissenschaftlern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums berichtet, dass eine neue Lithium-Schwefel-Batteriekomponente eine Verdoppelung der Kapazität im Vergleich zu einer herkömmlichen Lithium-Schwefel-Batterie ermöglicht mehr als 100 Ladezyklen bei hohen Stromdichten, die wichtige Leistungsmetriken für ihre Verwendung in Elektrofahrzeugen (EVs) und in der Luftfahrt sind.

 

Sie haben dafür ein neues Polymerbindemittel entwickelt, das wichtige Ionentransportprozesse innerhalb einer Lithium-Schwefel-Batterie aktiv steuert und auch gezeigt hat, wie es auf molekularer Ebene funktioniert. Die Arbeit wurde kürzlich in Nature Communications berichtet.

 

"Das neue Polymer fungiert als eine Wand", sagte Brett Helms, ein Mitarbeiter der Molecular Foundry von Berkeley Lab und korrespondierender Autor der Studie. "Der Schwefel wird in die Poren eines Kohlenstoffträgers geladen, die dann von unserem Polymer versiegelt werden. Da Schwefel an den chemischen Reaktionen der Batterie beteiligt ist, verhindert das Polymer, dass die negativ geladenen Schwefelverbindungen herauswandern. Die Batterie ist vielversprechend für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen. "

 

Wenn eine Lithium-Schwefel-Batterie Energie speichert und freisetzt, entstehen durch die chemische Reaktion bewegliche Schwefelmoleküle, die von der Elektrode getrennt werden, wodurch sie sich verschlechtern und schließlich die Kapazität der Batterie im Laufe der Zeit verringern. Um diese Batterien stabiler zu machen, haben die Forscher traditionell daran gearbeitet, Schutzbeschichtungen für ihre Elektroden zu entwickeln und neue Polymerbinder zu entwickeln, die als Klebstoff dienen, der die Batteriekomponenten zusammenhält. Diese Bindemittel sollen die Quellung und das Reißen der Elektrode kontrollieren oder mildern.

 

Der neue Ordner geht noch einen Schritt weiter. Forscher des Organic Synthesis Facility in der Molecular Foundry des Berkeley Lab, einem auf Nanowissenschaften spezialisierten Forschungszentrum, entwickelten ein Polymer, um den Schwefel in unmittelbarer Nähe der Elektrode zu halten, indem sie die Schwefelmoleküle selektiv binden und so deren Migrationstendenzen entgegenwirken. 图片.png

 

Der nächste Schritt bestand darin, die dynamischen Strukturänderungen zu verstehen, die beim Laden und Entladen sowie bei unterschiedlichen Ladezuständen auftreten können. David Prendergast, Leiter der Foundry's Theory Facility, und Tod Pascal, ein Projektwissenschaftler in der Theory Facility, bauten eine Simulation, um die Hypothesen der Forscher über das Verhalten des Polymers zu testen.

 

"Wir können die Schwefelchemie jetzt zuverlässig und effizient in diesen Bindemitteln modellieren, indem wir von detaillierten quantenmechanischen Simulationen der gelösten schwefelhaltigen Produkte lernen", so Prendergast.

 

Ihre großskaligen Molekulardynamik-Simulationen, die an Supercomputing-Ressourcen des National Energy Research Scientific Computing Centers (NERSC) von Berkeley Lab durchgeführt wurden, bestätigten, dass das Polymer eine Affinität zur Bindung der mobilen Schwefelmoleküle aufweist, und sagten voraus, dass das Polymer wahrscheinlich eine Präferenz aufweisen würde zur Bindung verschiedener Schwefelspezies bei unterschiedlichen Ladezuständen für die Batterie. Experimente, die an der Advanced Light Source von Berkeley Lab und dem Elektrochemistry Discovery Lab des Argonne National Laboratory durchgeführt wurden, bestätigten diese Vorhersagen.

 

Das Forschungsteam ging noch einen Schritt weiter und untersuchte auch die Leistungsfähigkeit von Lithium-Schwefel-Zellen, die mit dem neuen Polymerbinder hergestellt wurden. Durch eine Reihe von Experimenten konnten sie analysieren und quantifizieren, wie das Polymer die chemische Reaktionsgeschwindigkeit in der Schwefelkathode beeinflusst. Dies ist der Schlüssel zur Erzielung einer hohen Stromdichte und einer hohen Leistung mit diesen Zellen.

 

Durch die Verdoppelung der elektrischen Kapazität der Batterie über lange Zyklen erhöht das neue Polymer die Messlatte für die Kapazität und Leistung von Lithium-Schwefel-Batterien.

 

Das gemeinsame Verständnis von Synthese, Theorie und Eigenschaften des neuen Polymers hat es zu einer Schlüsselkomponente in der Prototyp-Lithium-Schwefel-Zelle am DOE Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) gemacht.

 

Publikation: Longjun Li, et al., "Molekulares Verständnis von Polyelektrolytbindern, die den Ionentransport in Schwefelkathoden aktiv regulieren", Nature Communications 8, Artikelnummer: 2277 (2017) doi: 10.1038 / s41467-017-02410-6