Lithium-Schwefel-Speicher: HZB-Wissenschaftler erzielen wichtigen Fortschritt

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Um Strom kompakt zu speichern, sind Lithium-Akkus momentan eine der besten Lösungen. In diesen Akkus wandern Lithium-Ionen während des Entladens von der Anode zum elektrischen Gegenpol, die Kathode. Diese besteht allerdings in der Regel aus Schwermetallverbindungen, die teuer und giftig sind. Eine Alternative sind Lithium-Schwefel-Batterien. Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben bei dieser Technologie einen wichtigen Fortschritt erzielt. Bei Lithium-Schwefel-Batterien besteht die Kathode nicht aus Schwermetall, sondern aus Schwefel, einem preiswerten und reichlich verfügbaren Material. Wandern Lithium-Ionen während des Entladens zur Kathode, so läuft dort eine Reaktion ab, bei der sich Lithiumsulfid (Li2S) bildet. Ein unerwünschter Nebeneffekt sind dabei jedoch die ebenfalls entstehenden Lithium-Polysulfide, wodurch im Lauf von mehreren Ladezyklen die Kapazität der Batterie abnimmt. Aus diesem Grund arbeiten Forscher weltweit an verbesserten Kathodenmaterialien, die in der Lage sind, die Polysulfide einzuschließen, zum Beispiel mit Nanopartikeln aus Titandioxid (TiO2).

Poröse Nanopartikel binden unerwünschte Polysulfide

Das HZB-Team um die Professorin Yan Lu hat nun ein Kathodenmaterial hergestellt, das noch deutlich leistungsfähiger ist. Auch hier sorgen Nanopartikel für den Einschluss des Schwefels. Sie bestehen allerdings nicht aus Titandioxid, sondern aus Ti4O7-Molekülen, die eine komplexe Architektur bilden: sie sind auf einer Kugelfläche angeordnet, die Poren aufweist. Diese porösen Nanopartikel binden Polysulfide wesentlich stärker als die üblichen TiO2-Nanopartikel. „Wir haben ein besonderes Herstellungsverfahren entwickelt, um diese komplexe dreidimensional vernetzte Porenstruktur zu erzeugen“, sagt Yan Lu. Im ersten Schritt stellen die Forscher dafür Gerüststrukturen aus Polymeren her, die winzige Kugeln mit poröser Oberfläche bilden. Diese Gerüststrukturen werden in weiteren Schritten vorbereitet und in eine Lösung aus Titanisopropoxid getaucht. Durch anschließende Hitzebehandlung bildet sich eine Schicht aus Ti4O7, wobei das Polymer darunter verdampft. Verglichen mit anderen Kathodenmaterialien aus Titanoxiden besitzen die Ti4O7-Nanopartikel eine extrem große Oberfläche. 12 Gramm dieses Materials verfügen über die Fläche eines Fußballfelds. Dies erklärt auch die hohe spezifische Kapazität von 1219 Milliamperestunden (mAh) pro Gramm bei 0,1 C (1 C = 1675 mA g-1), die auch durch wiederholtes Laden und Entladen nur wenig reduziert wird (0,094 Prozent pro Zyklus). Zum Vergleich: Bei Kathodenmaterialien aus TiO2-Nanopartikeln liegt diese spezifische Kapazität bei 683 mAh/g. Um die Leitfähigkeit des Materials zu erhöhen, ist eine zusätzliche Beschichtung der Nanopartikel mit Kohlenstoff möglich. Dabei bleibt die hochporöse Struktur erhalten.

Verfahren auf industrielle Maßstäbe übertragbar

„Wir haben über ein Jahr daran gearbeitet, diese Synthese zuverlässig zu optimieren. Nun wissen wir, wie es geht. Jetzt wollen wir daran arbeiten, das Material als Dünnschicht herzustellen“, sagt Yan Lu. Was im Labor gelingt, sei in diesem Fall auch auf industrielle Maßstäbe übertragbar. Denn alle Prozesse, von der Kolloidchemie bis zur Dünnschichttechnologie sind aufskalierbar.

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