Die Nanopartikel weisen große Poren auf, zeigt die Elektronenmikroskopieaufnahme.
HZB/adfm.201701176
Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat erstmals Nanopartikel aus einer Titanoxidverbindung (Ti4O7) mit extrem großen Oberflächen hergestellt und in Lithium-Schwefelbatterien als Kathodenmaterial getestet, wie die HZB-Forscher bekannt geben. Das hochporöse Nanomaterial soll eine hohe Speicherkapazität besitzen, die über viele Ladezyklen annähernd stabil bleibe.
Bei Lithium-Schwefel-Batterien besteht die Kathode aus Schwefel. Wandern Lithium-Ionen während des Entladens zur Kathode, so läuft dort eine Reaktion ab, bei der sich Lithiumsulfid (Li2S) bildet. Ein unerwünschter Nebeneffekt seien jedoch die dabei ebenfalls entstehenden Lithium-Polysulfide, wodurch im Lauf von mehreren Ladezyklen die Kapazität der Batterie abnehme, so die Wissenschaftler. Deshalb würden Forscher weltweit an verbesserten Kathodenmaterialien arbeiten, die in der Lage seien, die Polysulfide einzuschließen, zum Beispiel mit Nanopartikeln aus Titandioxid (TiO2).
Ti4O7-Nanopartikel mit Poren
Das HZB-Team um Professor Dr. Yan Lu hat nun ein Kathodenmaterial hergestellt, das noch deutlich leistungsfähiger sein soll. Auch hier sorgten Nanopartikel für den Einschluss des Schwefels. Sie bestünden allerdings nicht aus Titandioxid, sondern aus Ti4O7-Molekülen, die eine komplexe Architektur bilden: Sie seien auf einer Kugelfläche angeordnet, die Poren aufweise. Diese porösen Nanopartikel sollen Polysulfide wesentlich stärker binden als die üblichen TiO2-Nanopartikel.
Herstellung in mehreren Schritten
"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 bilde sich eine Schicht aus Ti4O7, wobei das Polymer darunter verdampfe, erklären die Forscher. Verglichen mit anderen Kathodenmaterialien aus Titanoxiden besäßen die Ti4O7-Nanopartikel eine extrem große Oberfläche. 12 Gramm dieses Materials würden ein Fußballfeld bedecken.
Funktionsweise der Nanopartikel an Bessy II entschlüsselt
Röntgenspektroskopie-Messungen (XPS) am Cissy-Experiment von Bessy II zeigen, dass Schwefel-Verbindungen sich an den nanostrukturierten Oberflächen fest anbinden.
Dies erkläre laut den Forschern 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 werde (0.094 Prozent pro Zyklus). Zum Vergleich: Bei Kathodenmaterialien aus TiO2-Nanopartikeln liege diese spezifische Kapazität bei 683 mAh/g. Um die Leitfähigkeit des Materials zu erhöhen, sei eine zusätzliche Beschichtung der Nanopartikel mit Kohlenstoff möglich. Dabei bleibe die hochporöse Struktur erhalten.
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, soll in diesem Fall auch auf industrielle Maßstäbe übertragbar sein. Denn alle Prozesse, von der Kolloidchemie bis zur Dünnschichttechnologie seien aufskalierbar.
Die Arbeit ist in Advanced Functional Materials (2017) publiziert: "Porous Ti4O7 Particles with Interconnected-Pores Structure as High-Efficiency Polysulfide Mediator for Lithium-Sulfur Batteries"; Shilin Mei, Charl J. Jafta, Iver Lauermann, Qidi Ran, Martin Kärgell, Matthias Ballauff, Yan Lu.