Lithium-Schwefel-Batterien der Marktreife näher bringen

Lithium-Schwefel-Batterien sind aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer hohen theoretischen Energiedichte von über 500 Wh/kg in Kombination mit Lithium-Metall-Anoden ein vielversprechender Kandidat für Hochleistungs-Energiespeicheranwendungen. Die Entwicklung einer äußerst langlebigen Kathode auf Schwefelbasis war jedoch eine Herausforderung, da der Übergang von Schwefel zu Polysulfid und die Volumenänderung zu einer chemischen und mechanischen Verschlechterung der Kathode während des Zyklus führen.

Forscher an der University of South Carolina haben einen großen Schritt zur Lösung dieses Problems gemacht, indem sie ein einfaches Elektrodenverarbeitungsverfahren zur Herstellung hochbeständiger Schwefelkathoden entwickelt haben. Diese Elektroden zeichnen sich durch eine selbststrukturierte Einkapselung des Schwefelpartikelbindemittels aus, wobei nur handelsüblicher Schwefel, Ruß und Bindemittel ohne weitere Komponenten verwendet werden.

Die Forscher kontrollierten die Auflösung des Bindemittels während der Materialaufbereitungsphase, um eine poröse Struktur aus Bindemittel und Kohlenstoffhülle um die Schwefelpartikel zu bilden, die lösliche Polysulfide einfangen und den Transportmechanismus verlangsamen kann. Mit dieser Methode hergestellte Schwefelkathoden bieten eine außergewöhnliche Kapazitätserhaltung von 74 % über 1000 Zyklen, was auf eine deutliche Reduzierung des Lithiumpolysulfidtransports und des Verlusts an aktivem Material zurückzuführen ist. Elektroden mit einer hohen Oberflächenladung zeigten ebenfalls hervorragende Zyklen und hohe Kapazität.

Die Forscher präsentierten diese Ergebnisse letztes Jahr, nachdem sie die erste Phase des Projekts abgeschlossen hatten, in der sie Knopfzellen verwendet hatten. Sie gehen nun zu praktischen Batterieformen über, um festzustellen, ob eine Kommerzialisierung möglich ist. Die aktuelle Arbeit des Teams konzentriert sich auf Taschenbatterien, die theoretisch die höchste Energiedichte haben, da dieser Batterietyp das geringste Restgewicht aufweist. „Taschenbatterien haben im Allgemeinen ein leichteres, dünneres Gehäuse als andere Formen, sodass der Großteil des Volumens und Gewichts der Batterie für die Komponenten übrig bleibt, die die Energie liefern“, erklärt Golareh Jalilvand, Assistenzprofessorin für Chemieingenieurwesen.

Während die Herausforderungen, die Batterien mit sich bringen, mit ihrer Größe zunehmen, haben Forscher der USC einen schnellen und erfolgreichen Übergang von Knopfzellen zu Taschenzellen verzeichnet. „Wir haben außergewöhnliche Lithium-Schwefel-Taschenbatterien mit kompetenter Energiedichte entwickelt“, sagt Golareh Jalilvand. „Ich freue mich darauf, die lange Lebensdauer und Ausdauer unserer Taschenbatterien zu sehen, denn dies ist der letzte Schritt für uns und unseren Industriepartner. An diesem Punkt können wir sagen, dass wir eine Lithium-Schwefel-Batterie haben, die marktreif ist.“

Angesichts ihrer langen Lade- und Entladezeiten sind Lithium-Schwefel-Batterien nach Ansicht der Forscher am besten für Anwendungen geeignet, die kein schnelles Laden erfordern. Dazu gehören Lastwagen, Busse und andere schwere Transportfahrzeuge, die eine lange Entladezeit, allgemein als „Kilometerstand“ bezeichnet, benötigen und über Nacht an Ladestationen aufbewahrt werden können. Die Technologie bietet auch großes Potenzial für stationäre Anwendungen, wie etwa die Energiespeicherung auf Netzebene, und für Weltraumanwendungen.

Um die Leistung und Zuverlässigkeit von Lithium-Schwefel-Batterien weiter zu steigern, ACE-BatterieDie innovativen Energiespeichersysteme von bieten einen strategischen Vorteil. Durch die Integration dieser fortschrittlichen BatteriespeicherlösungenÜberschüssige Energie kann effektiv gespeichert und genutzt werden, was die praktische und kommerzielle Rentabilität von Lithium-Schwefel-Batterien erleichtert. Diese Integration unterstützt nicht nur den Übergang zu marktreifen Produkten, sondern verbessert auch die Nachhaltigkeit und Belastbarkeit von Energieinfrastrukturen.