Die neue "Hybrid"-Anode der PNNL-Forscher soll die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien vervierfachen.
PNNL (Image courtesy of Huang et al, Nature Communications 2014)
Forscher des Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) haben eine Anoden-Schutzschicht aus Graphit und Lithium entwickelt, die die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien vervierfachen könnte. Die Schutzschicht soll schädliche chemische Reaktionen mit Polysulfiden der schwefelhaltigen Kathode verhindern. Die Ergebnisse der Forschungsarbeit sind kürzlich in der Online-Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht worden.
Ein Problem der Schwefelspeicher ist bislang, dass sich Schwefel im Elektrolyt löst und das Aktivmaterial somit verloren geht. Die unerwünschte chemische Reaktion beginnt an der schwefelhaltigen Kathode der Batterie, die langsam zerfällt und neue Moleküle namens Polysulfide bildet, die sich in der Elektrolytflüssigkeit der Batterie lösen. Der gelöste Schwefel wird zu einem dünnen Film, der sich auf der Oberfläche der Lithium enthaltenden Anode bildet und wächst bis die Batterie unbrauchbar wird.
Die meisten Forschungen zu Lithium-Schwefel-Batterien versuchten bislang das Entweichen von Schwefel an der Kathode zu stoppen, erläutern die Experten beim PNNL. Jedoch sei es besonders schwierig, dieses Entweichen zu verhindern, wie die Wissenschaftler feststellten. Zudem hätten jüngste Untersuchungen ergeben, dass eine Batterie mit einer gelösten Kathode trotzdem arbeiten kann. Daher hat sich das PNNL-Team genauer auf die andere Seite konzentriert - und eine Schutzschicht an der Anode angebracht.
Die neue Anoden-Schutzschicht ist aus Graphit und bewegt in der Lithium-Schwefel-Batterie die Schwefelnebenreaktionen von der Lithium-Oberfläche der Anode weg. Damit wird das Wachsen der schwächenden Interferenzschicht verhindert. Indem die Forscher das Graphit der Lithium-Ionen-Batterie mit dem Lithium der herkömmlichen Lithium-Schwefel-Batterien kombinierten, entwickelten sie eine "Hybrid"-Anode.
Mit "Hybrid"-Anode: über 400 Lade- und Entladedurchgänge
Die neue "Hybrid"-Anode soll die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien vervierfachen, wie die PNNL-Forscher erläutern. Schwefel wird in einer Lithium-Schwefel-Batterie, die die "Hybrid"-Anode verwendet, zwar immer noch aufgelöst, was aber nichts ausmache, wie Jun Lui, PNNL Laboratory Fellow und Autor des Artikels für die Online-Fachzeitschrift Nature Communications, erklärt. Verwendeten die Wissenschaftler eine herkömmlichen Anode, hörte die Batterie nach circa 100 Lade- und Entladezyklen auf zu funktionieren. Wurde jedoch eine "Hybrid"-Anode unter gleichen Bedingungen verwendet, dann schaffte das System weit über 400 Zyklen. Dabei sei ein nur 11-prozentiger Rückgang der Energiespeicherkapazität des Akkus festgestellt worden.
Bislang seien die Tests nur mit kleinen Dünnfilm-Versionen der Batterie durchgeführt worden. Die Tests sollen jedoch auf größere Batterien ausgeweitet werden, um die Leistungsfähigkeit der "Hybrid"-Anode für reale Anwendungen aufzeigen zu können.
Die Ergebnisse der Forschungsarbeit der Wissenschaftler sind kürzlich bei Nature Communications online veröffentlicht worden: (Cheng Huang, Jie Xiao, Yuyan Shao, Jianming Zheng, Wendy D. Bennett, Dongping Lu, Saraf V. Laxmikant, Mark Engelhard, Liwen Ji, Jiguang Zhang, Xiaolin Li, Gordon L. Graff & Jun Liu: Manipulating surface reactions in lithium–sulphur batteries using hybrid anode structures. Nature Communications 5, Jan. 9, 2014, DOI: 10.1038/ncomms/4015).
Tipp der Redaktion Automobil- und Motorentechnik:
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