Experimente mit einer schwefelhaltigen Kathode für eine Lithiumbatterie führten zufällig zu einer unerwarteten Entdeckung. Wissenschaftler haben versehentlich eine konstante Stabilisierung des Zustands von monoklinem γ-Schwefel (Gamma-Schwefel) bei Raumtemperatur erreicht, was vorher nicht vorgekommen ist. Dies gibt Hoffnung auf die Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien mit einer Kapazität, die dreimal so groß ist wie die aktueller Lithium-Batterien.
Industrien von Elektroautos bis hin zu Smartphones brauchen neue Batterien mit höherer Kapazität, ohne die der Fortschritt schwierig sein wird. Eine der vielversprechenden Versionen neuer Batterietypen sind Lithium-Schwefel-Zellen, die theoretisch bis zu dreimal mehr Energie speichern können als moderne Lithium-Ionen-Batterien. Dabei gibt es nur ein großes Problem – Lithium-Schwefel-Zellen verlieren mit jedem Ladezyklus sehr, sehr schnell an Kapazität: bis zu 78 % pro Zyklus.
Versuche von Wissenschaftlern der Drexel University in Philadelphia, eine stabile Kathode unter Verwendung von Schwefel für eine Lithiumbatterie zu entwickeln, zeigten ein unerwartetes Merkmal. Im Zuge der Arbeit mit Kathodenmaterialien ist es den Wissenschaftlern gelungen, eine stabile Form von γ-Schwefel herzustellen. Dies ist einer der beiden stabilen kristallinen Zustände von Schwefel - der sogenannte monokline, der jedoch beim Abkühlen unter 95 ° C in eine andere stabile Phase (rhombisch) übergeht.
„Im letzten Jahrhundert wurden nur wenige Studien durchgeführt, in denen die monokline Form von γ-Schwefel erhalten wurde, die nicht länger als 20–30 Minuten stabil war. Aber wir haben es in einer Kathode geschaffen, die Tausende von Lade-Entlade-Zyklen durchlief, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, und ein Jahr später zeigte unsere Studie, dass die chemische Phase dieselbe blieb “, sagte Rahul Pai, einer der Autoren der Studie. Die Arbeit wurde in Nature Communications Chemistry veröffentlicht und ist frei verfügbar unter:
https://www.nature.com/articles/s42004-022-00626-2
Nach 4000 Lade-Entlade-Zyklen für ein Jahr, was 10 Jahren regulärer Verwendung entspricht, blieb die Schwefelkathode stabil und verschlechterte sich nicht. Die Batteriekapazität war wie vorhergesagt mehr als dreimal so hoch wie bei einer Lithium-Ionen-Zelle. Die Wissenschaftler sind begeistert und versuchen, den Mechanismus des Prozesses genau zu verstehen, um die Technologie schließlich kommerzialisieren zu können.
2022-02-16 12:23:15
Autor: Vitalii Babkin