30-Minuten-Synthese von Kathodenmaterialien für flexible Lithium-Schwefel-Batterien

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Schwefel aus der Ölraffinerie als Teil der Kathode

Faltbare Mobiltelefone werden immer beliebter. Damit und mit zunehmender E-Mobilität steigt auch die Nachfrage nach Energiespeichersystemen mit hohem Energiegehalt, langer Lebensdauer und schneller Aufladung. Die derzeitigen Lithium-Ionen-Batterietechnologien können diesen Bedarf nicht decken, so dass sich der Schwerpunkt zunehmend auf die nächste Generation von Batterien verlagert. Kürzlich gelang es einem Forschungsteam an der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Pohang, Korea (POSTECH), in nur 30 Minuten ein Lithium-Schwefel-Batteriekathodenmaterial zu synthetisieren, indem Schwefel verwendet wurde, der als Nebenprodukt bei der Ölraffinerieverarbeitung anfällt.

Flexible Schwefel-Lithium-Batterien im Test (plan, gefaltet, zerknüllt) – Bilder © POSTECH, CC BY NC ND 4.0

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professorin Moon Jeong Park und Doktorand Haneol Kang vom POSTECH-Fachbereich Chemie hat eine innovative Lithium-Schwefel-Batterie (Li-S) entwickelt, die  hohe Energiedichte, schnelle Aufladung und mechanische Flexibilität kombiniert – die erste Synthese von schwefelreichen hierarchisch geordneten Copolymeren durch eine inverse Vulkanisation mit schneller Reaktionszeit (weniger als 30 Minuten) ohne Verwendung von Tensiden oder sterischen Stabilisatoren. Die Ergebnisse der Studie wurden am 25.08.2021 in der Online-Ausgabe von Nano Energy als Eilmeldung veröffentlicht.

Im Gegensatz zu den derzeit verwendeten hochtoxischen Kathodenmaterialien auf der Basis von Übergangsmetallen zieht Schwefel dank seiner geringen Kosten, seines natürlichen Vorkommens und seiner geringen Toxizität die Aufmerksamkeit auf sich. Insbesondere die Li-S-Batterie hat eine hohe theoretische Energiedichte (2.600Wh kg-1) und eine hohe Kapazität (1672mAh g-1), was ihr Potenzial als Batterie der nächsten Generation zeigt. Allerdings hat Schwefel eine grundsätzlich niedrige elektrische Leitfähigkeit, was die vollständige Ausnutzung der aktiven Materialien behindert und die Lade-/Entladezyklen verlangsamt. Ein weiterer Nachteil ist die hohe Löslichkeit in Elektrolyten, was die Lebensdauer der Batterie verringert.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, verwendete das Forscherteam nicht wie bei der herkömmlichen Schwefelelektrode das Schmelzdiffusionsverfahren, sondern führte eine Copolymerisation unter Verwendung der umgekehrten Vulkanisation von Schwefel und Vinylphosphonsäure (VPA) durch, um in nur 30 Minuten schwefelbasierte Polymerpartikel zu synthetisieren. Die resultierenden Schwefelpartikel bestehen aus phasengetrenntem ?-Schwefel und einem Schwefel-VPA-Netzwerk (SVPA) auf der Grundlage von Schwefelallotropen niedriger Dichte.

Der Schlüssel zur Bildung gleichmäßig großer, hierarchisch geordneter Partikel in kurzer Zeit ist die autokatalytische Reaktion zwischen Schwefelradikalen und VPA. Zu Beginn der Reaktion werden lange Schwefelketten gebildet, an die VPA gebunden ist, um die kugelförmige Form von SVPA ohne ein Tensid zu stabilisieren. Interessanterweise wurde nachgewiesen, dass sich auf der Oberfläche der SVPA-Partikel spontan Falten und Poren wie bei der menschlichen Haut bilden, was das Eindringen des Elektrolyten in die Kathode erleichtert und gleichzeitig die mechanische Belastung der Elektrodenoberfläche verringert.

Dadurch konnten die Forscher nachweisen, dass es möglich ist, auf der Grundlage einer einfachen Synthesemethode eine poröse Struktur in das aktive Material selbst einzubringen, um das Eindringen des Elektrolyten zu erleichtern, und die mechanische Integrität der Elektrode zu verbessern, indem Schwefelallotrope in SVPA-Gerüste mit geringer Volumenausdehnung eingebettet werden. Darüber hinaus verhinderten die Forscher wirksam die Auswaschung von Lithiumpolysulfid durch die auf der Oberfläche des aktiven Materials reichlich vorhandenen funktionellen Phosphonsäuregruppen und erreichten so hervorragende Eigenschaften der Lithium-Schwefel-Batterie. Das aktive Material selbst verfügt über eine ausgezeichnete Elastizität und den Vorteil, ein vernetztes Polymer zu sein, was sein Potenzial als flexible Elektrode unter Beweis stellt.

„In dieser Studie wurde eine flexible Lithium-Schwefel-Batterie entwickelt, indem ein invers vulkanisiertes Polymer mit reichlich Phosphonsäuregruppen auf kostengünstige und umweltfreundliche Weise synthetisiert wurde“, erklärte Professor Moon Jeong Park, der die Studie leitete. „Die Ergebnisse sind insofern von Bedeutung, als sie Lithiumpolysulfide chemisch einschließen und damit das Problem der Elution lösen, das die Kommerzialisierung behindert hat, und die potenzielle Verwendung in Batterien für tragbare Geräte erhöhen, indem sie der Schwefelkathode flexible Eigenschaften verleihen, was bisher nur schwer zu realisieren war.“

Diese Forschung wurde mit Unterstützung des Mid-Career Researcher Program der National Research Foundation of Korea, dem Creative Materials Discovery Program und dem Science Research Center Program durchgeführt.

Die Technisch-Naturwissenschaftliche Universität Pohang (POSTECH) ist eine weltweit renommierte Universität in Pohang. 1998 wurde sie von Asiaweek als beste Wissenschafts- und Technologieuniversität in Asien eingestuft. Gemeinsam mit der Max-Planck-Gesellschaft betreibt die Universität das Max Planck-POSTECH/Hsinchu Center for Complex Phase Materials, das der die Modellierung und Herstellung hochreiner Materialien und Stoffverbünde (Phasentransformation) verschrieben ist. Beteiligt sind unter anderem das Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden und das MPI für Festkörperforschung in Stuttgart. (Nach wikipedia)

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