Die wachsende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen in den USA hat die große Herausforderung der nachhaltigen Beschaffung von Batterietechnologie deutlich gemacht, die für die breite Umstellung auf erneuerbare Energien und weg von fossilen Brennstoffen erforderlich ist. In der Hoffnung, Batterien zu entwickeln, die nicht nur eine bessere Leistung als die derzeit in Elektrofahrzeugen verwendeten aufweisen, sondern auch aus leicht verfügbaren Materialien hergestellt werden können, hat eine Gruppe von Chemieingenieuren der Drexel University einen Weg gefunden, Schwefel in Lithium-Ionen-Batterien einzubringen - mit verblüffenden Ergebnissen.
Da sich der weltweite Absatz von Elektrofahrzeugen bis 2021 mehr als verdoppeln wird, sind die Preise für Batteriematerialien wie Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt in die Höhe geschnellt, und die Lieferketten für diese Rohstoffe, die größtenteils aus anderen Ländern bezogen werden, gerieten aufgrund der Pandemie in Engpässe. Dies lenkte die Aufmerksamkeit auch auf die Hauptlieferanten dieser Rohstoffe: Länder wie Kongo und China, und warf Fragen zu den Auswirkungen des Abbaus dieser Rohstoffe auf Mensch und Umwelt auf.
Schon lange vor dem Aufschwung der Elektroautos und der Verknappung des Batteriematerials war die Entwicklung einer kommerziell nutzbaren Schwefelbatterie für die Batterieindustrie der nachhaltige, leistungsstarke weiße Wal. Der Grund dafür ist das natürliche Vorkommen von Schwefel und seine chemische Struktur, die es ihm ermöglichen würde, mehr Energie zu speichern. Ein kürzlich von Forschern des Drexel College of Engineering erzielter Durchbruch, der in der Fachzeitschrift Communications Chemistry veröffentlicht wurde, bietet eine Möglichkeit, die Hindernisse zu umgehen, die Li-S-Batterien in der Vergangenheit unterdrückt haben, und die begehrte Technologie endlich in kommerzielle Reichweite zu bringen.
Ihre Entdeckung ist ein neuer Weg zur Herstellung und Stabilisierung einer seltenen Form von Schwefel, die im Karbonat-Elektrolyt funktioniert - der Energietransportflüssigkeit, die in kommerziellen Li-Ionen-Batterien verwendet wird. Diese Entwicklung würde nicht nur Schwefelbatterien kommerziell nutzbar machen, sondern sie hätten auch die dreifache Kapazität von Li-Ionen-Batterien und eine Lebensdauer von mehr als 4.000 Aufladungen - das entspricht einer Nutzungsdauer von 10 Jahren, was ebenfalls eine erhebliche Verbesserung darstellt.
"Schwefel ist seit einigen Jahren für den Einsatz in Batterien sehr begehrt, da er in der Erde reichlich vorhanden ist und auf sichere und umweltfreundliche Weise gesammelt werden kann. Wie wir jetzt gezeigt haben, hat er außerdem das Potenzial, die Leistung von Batterien in Elektrofahrzeugen und mobilen Geräten auf kommerziell vertretbare Weise zu verbessern", sagte Dr. Vibha Kalra, Professorin am George-B.-Francis-Lehrstuhl im Fachbereich Chemie- und Bioingenieurwesen der Hochschule Drexel, die die Forschungsarbeiten leitete.
Die Herausforderung bei der Einführung von Schwefel in eine Lithiumbatterie mit einem handelsüblichen Karbonatelektrolyten bestand in einer irreversiblen chemischen Reaktion zwischen Schwefelzwischenprodukten, den so genannten Polysulfiden, und dem Karbonatelektrolyten. Aufgrund dieser nachteiligen Reaktion führten frühere Versuche, eine Schwefelkathode in einer Batterie mit einer Karbonat-Elektrolytlösung zu verwenden, zu einer fast sofortigen Abschaltung und einem vollständigen Ausfall der Batterie nach nur einem Zyklus.
Li-S-Batterien haben in Versuchen mit einem Ether-Elektrolyten - anstelle eines Carbonats - bereits außergewöhnliche Leistungen gezeigt, da Ether nicht mit Polysulfiden reagiert. Diese Batterien wären jedoch nicht kommerziell nutzbar, da der Ether-Elektrolyt sehr flüchtig ist und Komponenten mit einem Siedepunkt von nur 42 Grad Celsius enthält, was bedeutet, dass jede Erwärmung der Batterie über die Raumtemperatur hinaus zu einem Ausfall oder Schmelzen führen könnte.
"In den letzten zehn Jahren wurden für die meisten Li-S-Batterien Ether-Elektrolyte verwendet, um die nachteiligen Reaktionen mit Karbonat zu vermeiden", so Kalra. "Im Laufe der Jahre haben sich die Forscher dann intensiv mit der Verbesserung der Leistung von Schwefelbatterien auf Etherbasis befasst, indem sie die so genannte Polysulfidverschiebung/-diffusion abschwächten - dabei wurde jedoch völlig übersehen, dass der Ether-Elektrolyt selbst ein Problem darstellt. Bei unserer Arbeit ging es in erster Linie darum, den Ether durch Karbonat zu ersetzen, aber dabei haben wir auch die Polysulfide eliminiert, was ebenfalls bedeutete, dass es kein Shuttling mehr gab, so dass die Batterie über Tausende von Zyklen hinweg außergewöhnlich gut funktionieren konnte."
Frühere Forschungsarbeiten von Kalras Team gingen ebenfalls auf diese Weise an das Problem heran, indem sie eine Kohlenstoffnanofaser-Kathode herstellten, die den Shuttle-Effekt in Li-S-Batterien auf Ether-Basis verlangsamte, indem sie die Bewegung von Polysulfid-Zwischenprodukten einschränkte. Um den kommerziellen Weg der Kathoden zu verbessern, erkannte die Gruppe jedoch, dass sie sie mit einem kommerziell nutzbaren Elektrolyten zum Funktionieren bringen musste.
"Eine Kathode, die mit dem bereits verwendeten Karbonat-Elektrolyten funktioniert, ist für kommerzielle Hersteller der Weg des geringsten Widerstands", so Kalra. "Anstatt auf die Einführung eines neuen Elektrolyten in der Industrie zu drängen, war es unser Ziel, eine Kathode zu entwickeln, die mit dem bereits existierenden Li-Ionen-Elektrolytsystem funktionieren kann.
In der Hoffnung, die Bildung von Polysulfid zu verhindern, um nachteilige Reaktionen zu vermeiden, versuchte das Team, den Schwefel mit Hilfe einer Aufdampfungstechnik in das Kathodensubstrat aus Kohlenstoffnanofasern einzuschließen. Mit diesem Verfahren gelang es zwar nicht, den Schwefel in das Nanofasernetz einzubetten, aber es bewirkte etwas Außergewöhnliches, was sich zeigte, als das Team begann, die Kathode zu testen.
"Als wir mit dem Test begannen, begann sie wunderbar zu laufen - etwas, das wir nicht erwartet hatten. Tatsächlich haben wir sie immer und immer wieder getestet - mehr als 100 Mal - um sicherzustellen, dass wir wirklich das sehen, was wir zu sehen glaubten", sagte Kalra. "Die Schwefelkathode, von der wir annahmen, dass sie die Reaktion zum Stillstand bringen würde, funktionierte tatsächlich erstaunlich gut, und zwar immer wieder, ohne dass es zu einem Shuttling kam."
Bei weiteren Untersuchungen stellte das Team fest, dass der Schwefel während des Prozesses der Ablagerung auf der Kohlenstoff-Nanofaseroberfläche - bei dem er von einem Gas in einen Feststoff umgewandelt wurde - auf unerwartete Weise kristallisierte und eine leichte Variation des Elements bildete, die als monokliner Gamma-Phasen-Schwefel bezeichnet wird. Diese chemische Phase des Schwefels, die nicht mit dem Karbonat-Elektrolyten reagiert, war bisher nur bei hohen Temperaturen im Labor entstanden und wurde in der Natur nur in der extremen Umgebung von Ölbohrungen beobachtet.
"Zunächst war es schwer zu glauben, dass es sich hierbei um das handelt, was wir entdeckt haben, denn in allen bisherigen Forschungen war monokliner Schwefel unter 95 Grad Celsius instabil", so Rahul Pai, Doktorand in der Abteilung für Chemie- und Bioingenieurwesen und Mitautor der Studie. "Im letzten Jahrhundert gab es nur eine Handvoll Studien, die monoklinen Gamma-Schwefel herstellten, und er war höchstens 20-30 Minuten stabil. Aber wir hatten ihn in einer Kathode erzeugt, die Tausende von Lade- und Entladezyklen durchlief, ohne dass die Leistung nachließ - und ein Jahr später zeigt unsere Untersuchung, dass die chemische Phase gleich geblieben ist."
Nach mehr als einem Jahr der Erprobung ist die Schwefelkathode nach wie vor stabil, und wie das Team berichtet, hat sich ihre Leistung in 4.000 Lade- und Entladezyklen nicht verschlechtert, was 10 Jahren regelmäßiger Nutzung entspricht. Und wie vorhergesagt, ist die Kapazität der Batterie mehr als dreimal so groß wie die einer Li-Ionen-Batterie.
"Während wir noch daran arbeiten, den genauen Mechanismus hinter der Bildung dieses stabilen monoklinen Schwefels bei Raumtemperatur zu verstehen, bleibt dies eine aufregende Entdeckung, die eine Reihe von Türen für die Entwicklung einer nachhaltigeren und erschwinglichen Batterietechnologie öffnen könnte", sagte Kalra.
Würde man die Kathode in Lithium-Ionen-Batterien durch eine Schwefelkathode ersetzen, könnte man auf die Beschaffung von Kobalt, Nickel und Mangan verzichten. Die Vorräte an diesen Rohstoffen sind begrenzt und lassen sich nicht einfach abbauen, ohne Gesundheits- und Umweltschäden zu verursachen. Schwefel hingegen kommt überall auf der Welt vor und ist in den Vereinigten Staaten in großen Mengen vorhanden, da er ein Abfallprodukt der Erdölförderung ist.
Kalra ist der Meinung, dass eine stabile Schwefelkathode, die in einem Karbonat-Elektrolyten funktioniert, den Forschern auch die Möglichkeit gibt, die Lithiumanode zu ersetzen, was auch erdreichere Alternativen wie Natrium einschließen könnte.
"Die Abkehr von der Abhängigkeit von Lithium und anderen Materialien, die teuer und schwer aus der Erde zu gewinnen sind, ist ein wichtiger Schritt für die Entwicklung von Batterien und die Erweiterung unserer Möglichkeiten zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen", sagte Kalra. "Die Entwicklung einer brauchbaren Li-S-Batterie eröffnet eine Reihe von Möglichkeiten, diese Materialien zu ersetzen".
Weitere Informationen:
https://drexel.edu/now/archive/2022/February/lithium-sulfur-cathode-carbonate-electrolyte/ [This is automatically translated from English]