Lithium-Schwefel-Batterien werden stabiler

Um Strom kompakt zu speichern, sind Lithium­-Ionen-Akkus momentan eine der besten Lösungen. In diesen Akkus wandern Lithium­ionen während des Entladens von der Anode zum elek­trischen Gegenpol, die Kathode. Diese besteht in der Regel aus Schwermetall­verbindungen, die teuer und giftig sind. Eine interes­sante Alter­native sind Lithium-Schwefel-Batterien. Hier besteht die Kathode nicht aus Schwer­metall, sondern aus Schwefel, einem preis­werten und reichlich verfüg­baren Material. Wandern Lithium­ionen während des Entladens zur Kathode, so läuft dort eine Reaktion ab, bei der sich Lithium­sulfid bildet. Ein uner­wünschter Nebeneffekt sind jedoch die dabei ebenfalls entste­henden Lithium-Poly­sulfide, wodurch im Lauf von mehreren Ladezyklen die Kapazität der Batterie abnimmt. Deshalb arbeiten Forscher weltweit an verbesserten Kathoden­materialien, die in der Lage sind, die Poly­sulfide einzu­schließen, zum Beispiel mit Nano­partikeln aus Titan­dioxid.

Neue Kathoden für Lithium-Schwefel-Batterien: Die Nanopartikel aus Titanoxid weisen große Poren auf, in denen störende Polysulfide eingeschlossen werden. (Bild: HZB)

Yan Lu und seine Kollegen am Helmholtz-Zentrum Berlin HZB haben 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“, erklärt Yan Lu. Im ersten Schritt stellt Yan Lu 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. Zwölf Gramm dieses Materials würden ein Fußball­feld bedecken.

Dies erklärt auch die hohe spezi­fische Kapa­zität von 1219 Milli­ampere­stunden pro Gramm bei 0,1 C (1 C = 1675 mA/g), 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.

„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. Und das Beste: Was im Labor gelingt, ist in diesem Fall auch auf indus­trielle Maßstäbe übertragbar. Denn alle Prozesse, von der Kolloid­chemie bis zur Dünnschicht­technologie sind aufskalierbar. (Quelle: HZB / pro-physik.de)

Referenz: S. Mei et al.: Porous Ti4O7 Particles with Interconnected-Pores Structure as High-Efficiency Polysulfide Mediator for Lithium-Sulfur Batteries, Adv. Func. Mat.; online 12. Mai 2017; DOI: 10.1002/adfm.201701176

Link: Weiche Materie und funktionale Materialien, Helmholtz-Zentrum Berlin HZB

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