(Eingeladen) Stabilisierung der Elektroden und Schnittstellen in Lithium-Schwefel-Batterien

Da die Elektrifizierung des Verkehrssektors und die Netzspeicherung von aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind erzeugtem Strom schnell voranschreiten, werden Kosten, Nachhaltigkeit und Herausforderungen in der Lieferkette zum dominierenden Thema. Lithium-Schwefel-Batterien bieten im Vergleich zu den derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Batterien erhebliche Vorteile in Bezug auf Nachhaltigkeit und Kosten, da Schwefel reichlich vorhanden und kostengünstig ist und eine Größenordnung höhere Kapazität als die Oxid-Kathoden bietet. Allerdings sieht sich die Kommerzialisierung von Lithium-Schwefel-Batterien mit einigen Herausforderungen konfrontiert, wie z. B. einer geringen Lebensdauer in praktischen Zellen. Diese Herausforderungen stammen von der schlechten elektronischen und ionischen Leitfähigkeit in Schwefel und seinen Entladeprodukten, dem Polysulfid-Shuttle und der schlechten Zyklierbarkeit der Lithium-Metallanode. Um einige dieser Schwierigkeiten zu überwinden, wird normalerweise eine große Menge an leitfähigem Kohlenstoff und flüssigem Elektrolyt zur Zelle hinzugefügt; sie verbessern die Lebensdauer, senken jedoch drastisch die praktische Energiedichte und machen die Lithium-Schwefel-Batterien im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien un konkurrenzfähig. Um die oben genannten Herausforderungen zu überwinden, konzentriert sich diese Präsentation auf die Optimierung von Schwefel- und Lithium-Sulfid-Kathoden, die Einbindung von Elektrokatalysatoren in die Kathode zur Verbesserung der Schwefel-Redox, die Entwicklung fortschrittlicher Elektrolyte, die Einbringung von Additiven in die Kathode und den Elektrolyten zur Stabilisierung der Schnittstellen zwischen Kathode und Elektrolyt sowie Anode und Elektrolyt, anodenfreie Zellen, die den Umgang mit dünnen Lithium-Metallfolien eliminieren, während die Schwefelbeladung und das Elektrolyt/Schwefel-Verhältnis auf einem praktisch akzeptablen Niveau gehalten werden. Die erzielten Verbesserungen und die an der Leistungssteigerung beteiligten Mechanismen werden basierend auf umfangreichen Charakterisierungsdaten, die mit der Flugzeitsekundärionenspektrometrie (TOF-SIMS), der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) usw. gewonnen wurden, erörtert.