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Lithium-Schwefel Batterie

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Die Lithium-Schwefel Batterie

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David Vonlanthen, PhD

Editor

Einführung

Die Lithium-Schwefel Batterie ist aufgrund ihrer hohen theoretischen spezifischen Kapazität von Schwefel (Kathode: 1675 mA-h-g-1) und ihrer theoretischen Energiedichte eine vielversprechende Technologie.

Ready about the Energy Density

Hohe gravimetrische Energiedichte der Lithium-Schwefel-Batterie

Darüber hinaus ist die Lithium-Schwefel Batterie im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie bei der gravimetrischen Energiedichte mit der derzeitigen Technologie am Wettbewerbs-fähigsten, nicht bei der volumetrischen Energiedichte.

Die Materialien für die Lithium-Schwefel-Batterie sind reichlich verfügbar

Lithium-Schwefel Batterie: Kristalliner Schwefel
Lithium-Schwefel Batterie: Kristalliner Schwefel

Ausserdem entspricht die Lithium-Schwefel-Batterie der Nachfrage nach Energiequellen für Elektroautos, Elektroflugzeuge und tragbare elektronische Produkte. Ferner hat die Lithium-Schwefel-Batterie andere vorteilhafte Vermögenswerte Eigenschaften wie reiche Rohstoffquellen, niedrige Kosten und umweltfreundlich.

Die Vorteile von Schwefel sind die schier unbegrenzte Verfügbarkeit, die geringe Kosten und die Umweltfreundlichkeit.

Mit dem zunehmenden Interesse an Lithium-Schwefel Batterien sind auch neue Herausforderungen auf der Ebene der praktischen Zellen entstanden, welche in Knopfzellen weniger ausgeprägt sind.

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Kapazität der Schwefelkathode und der Lithiumanode

Unter den verfügbaren Anoden– und Kathodenmaterialien hat Lithiummetall die höchste theoretische spezifische Kapazität von 3.860 mA-h-g-1 und das niedrigste elektrochemische Potenzial von 3,04 V (im Vergleich zu normalem Wasserstoff). Schwefel mit einem niedrigen Molekulargewicht und einer Zwei-Elektronen-Transfer-Reaktion hat die höchste Entladekapazität von 1.672 mA-h-g-1, die unter allen festen Kathodenmaterialien hervorsticht.

Arbeitsspannung der Lithium-Schwefel-Batterie

Wenn Schwefel mit Lithium-Metall gepaart wird, liefern Lithium-Schwefel-Batterien eine durchschnittliche Arbeitsspannung von 2,15 V, die viel höher ist als die vieler handelsüblicher Batterien, aber etwas niedriger als die von Lithium-Ionen Batterien.

Lithium-Schwefel Batterie

Vor- und Nachteile der Lithium-Schwefel-Batterie

Seit ihrer Erfindung vor einem halben Jahrhundert hat die Li-S-Batterie in ihrer stockenden Entwicklung wichtige Durchbrüche und Innovationen erzielt. Der Reaktionsmechanismus der Schwefelkathode, der sich von der Interkalationschemie unterscheidet, hat seine Vor- und Nachteile.

Der Vorteil ist, dass Schwefel mit Lithiumionen reagiert und eine Zwei-Elektronen-Transferreaktion durchläuft, die eine hohe spezifische Entladekapazität hat.

Der Nachteil ist, dass die Leitfähigkeit von Schwefel und dem Entladungsprodukt Lithiumsulfid (Li2S) extrem niedrig ist.

Die Volumenänderung ist gross, und die zyklische Leistung ist instabil. Trotz jahrzehntelanger Forschung sind viele Probleme der Li-S-Batterien noch immer ungelöst.

Verbesserung der Kapazität und Stabilität

Mesoporöser Kohlenstoff mit mesoporösen Kanälen kann die spezifische Entladekapazität erheblich steigern. Nach dieser Entdeckung kam es zu einer explosionsartigen Zunahme der veröffentlichten Literatur, und die spezifische Kapazität und die zyklische Stabilität nahmen erheblich zu.

Der durch die unvorteilhafte Reaktionskinetik verursachte Shuttle-Effekt von Lithiumpolysulfiden (LiPS) führt jedoch zu einer schlechten Langzeitstabilität. In der Folge werden gezielte Strategien entwickelt, darunter die Begrenzung von LiPS, die Regulierung von Schwefel-Redox-Reaktionen und der Einsatz von Elektrokatalysatoren für Schwefel-Redox-Reaktionen.

Strategien zur Überwindung des Shuttle-Effekts

Der durch die falsche Reaktionskinetik verursachte Shuttle-Effekt von Lithiumpolysulfiden (LiPS) führt jedoch zu einer schlechten Langzeitstabilität. Anschliessend werden gezielte Strategien entwickelt, die i) die Begrenzung von LiPS, ii) die Regulierung von Schwefel-Redox-Reaktionen und iii) die Elektrokatalyse für Schwefel-Redox-Reaktionen umfassen.

Lithium-Dendriten in der Lithium-Schwefel-Batterie

Lithiummetall ist der «heilige Gral» der Batterieforschung. Jüngste Fortschritte bei Festkörperelektrolyten versprechen, das Dendriten-Problem zu überwinden.

Strategien zur Bewältigung des Lithium-Dendriten-Problems

Die wichtigsten Strategien zur Überwindung des Lithium-Dendriten-Problems sind die
i) eine künstliche Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI), ii) die Entwicklung eines Elektrolyten und iii) eine strukturierte Anode, die den Coulomb-Wirkungsgrad (CE) erhöht und das Wachstum von Lithium-Dendriten verhindert.

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Probleme, die derzeit die Industrialisierung der Lithium-Schwefel Batterie behindern

1) Die Volumenausdehnung

Ferner beträgt die Dichte von Schwefel und Lithiumsulfid 2 g/cm3 bzw. 1,7 g/cm3. Die Volumenausdehnung und -schrumpfung während des Lade-/Entladevorgangs beträgt bis zu 80 %, was zu einer Trennung des aktiven Schwefelmaterials vom leitenden, nicht expandierenden Material und zu einer Verringerung der Kapazität führt.

2) Auflösen von Schwefel und Schwefelverbindungen in der Lithium-Schwefel Batteriezelle

Andererseits gibt es in der Lithium-Schwefel-Batterie Probleme wegen der Auflösung von a) elementarem Schwefel und b) Polysulfid-Zwischenprodukt-Ionen im flüssigen Elektrolyten.

Die Auflösung von Polysulfiden kann zum Verlust des Schwefel-Kathoden-Materiales führen, was i) eine rasche Abnahme der Kapazität und ii) eine Verformung und anschliessende mechanische Instabilität der Schwefel-Kathode zur Folge hat.

4) Das Problem mit dem Polysulfid-Shuttle

Polysulfide-shuttle-in-the-Lithium-Sulfur battery
Polysulfide-Shuttle in the Lithium-Sulfur Battery

Ausserdem kommt es bei der Verwendung von Lithium-Metallen als Anode zu einer langsamen, aber sicheren Selbstentladung der Batteriezelle mit löslichen Lithium-Polysulfiden, die zur Anodenseite diffundieren. Aufgrund der hohen chemischen Reaktivität der Lithium-Anodenoberfläche werden die Polysulfide an der Lithium-Anode lithiiert.

5) Schlechte Leistung bei niedrigen Temperaturen

Der Leistungsabfall bei Temperaturen unter 0 °C schränkt die Anwendung in bestimmten Situationen ein. Unter bestimmten Bedingungen kann eine Betriebstemperatur von über -10 °C ausreichend sein. Dieses Problem kann jedoch gelöst werden, indem die Betriebstemperatur über 0 °C gehalten wird.

5) Dendritenbildung an der Lithium-Metall-Anode

Wenn Lithiummetall als Anode verwendet wird, bilden sich schnell Dendriten. Dendriten führen zu einem Kurzschluss in der Batteriezelle. Daher muss das Dendritenwachstum verringert werden, um eine brauchbare Lithium-Schwefel-Batteriezelle zu bauen.

Ready about the Charging Rate of Batteries

Referenzen und Lektüre

  1. Mori, R. Cathode materials for lithium-sulfur battery: a review. J Solid State Electrochem 27, 813–839 (2023). https://link.springer.com/article/10.1007/s10008-023-05387-z?error=cookies_not_supported&code=2fccb50c-ce22-4c4f-b8d6-435010150534
  2. Shao Q, Zhu S, Chen J. A review on lithium-sulfur batteries: Challenge, development, and perspective. Nano Research, 2023
  3. Lithium–sulfur battery. From Wikipedia, the free encyclopedia. Read, February 2023
  4. Lithium-sulfur batteries are one step closer to powering the future, Argonne National Laboratory. Retrieved March 2023. 
  5. A Perspective toward Practical Lithium−Sulfur Batteries, ACS Cent. Sci. 2020, 6, 1095−1104.
  6. A high-energy sulfur cathode in carbonate electrolyte by eliminating polysulfides via solid-phase lithium-sulfur transformation. Nature Communications 9, 4509 (2018). https://www.nature.com/articles/s41467-018-06877-9?error=cookies_not_supported&code=1ddb5666-5fa2-4498-8b28-8d7c91d3e3d4

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