Funktionale Hybrid-Separatoren für Lithium-Schwefel Batterien

Lithium-Schwefel Batterien (Li-S) gelten aufgrund ihrer hohen theoretischen spezifischen Energie von 2,6 kWh kg-1 , welche mehr als fünfmal höher liegt als die von heutigen Lithium-Ionen Batterien, als vielversprechende Kandidaten für zukünftige wiederaufladbare Energiespeichersysteme. Sehr von Vorteil ist zudem, dass Schwefel billig, umweltfreundlich und gut verfügbar ist. Trotzdem ist der kommerzielle Erfolg dieses System bislang ausgeblieben. Dies liegt vor allem an der Eigenschaft des Schwefel ein elektrischer Isolator zu sein. Zudem besitzen entsprechende Zellen eine geringe Zyklenstabilität, was am sogenannten „Polysulfid-Shuttle-Effekt“ liegt.

Um diese Probleme zu lösen, konzentrieren wir uns auf die Entwicklung funktionaler Hybrid-Separatoren mittels einer einfachen Beschichtungprozedur von porösem Kohlstoff auf kommerziell erhältlichem Separator (Abbildung 1). So können Li-S-Zellen, welche einen solchen Separator enthalten, der mit mesoporösem Kohlenstoff beschichtet ist, Kapazitäten von 700 mAh g-1 nach 500 Zyklen bei einer Rate von 1 C aufweisen. Dies ist möglich, obwohl hier lediglich eine einfache Kathode zum Einsatz kommt, welche aus einer Mischung von Schwefel und unporösem Kohlenstoff besteht. Die verbesserten elektrochemischen Kennwerte sind vor allem den einzigartigen Eigenschaften der Beschichtung mittels mesoporösem Kohlenstoff zuzuschreiben, welche i) effizient den Widerstand der Schwefelkathode veringert, ii) einen schnellen Elektronen/Lithion-Ionen Transport durch das Kohlenstoffnetzwerk ermöglicht, iii) Schwefel sehr gut zurückhält und aufnimmt und so diesen wieder als Aktivmaterial nutzbar macht und iv) die starke Volumenänderung während der Schwefel/Li2S-Reaktion abfängt.

Unsere Arbeit verdeutlicht die große Bedeutung der gezielten Entwicklung von modifizieren Separatoren mit mesoporösem Kohlenstoffmaterialien. Der Nachweis der grundlegenden Umsetzbarkeit dieses Ansatzes wird letztlich eine hohe und zuverlässige Leistung von Li-S-Batterien gewährleisten.

Abbildung 1. (a) Schematischer Aufbau von Li-S-Zellen mit mesoC-beschichtetem Separator. Die Zelle besteht von links nach rechts aus gesehen aus einer Schwefelkathode, dem funktionalen Hybrid-Separator und der Lithium-Anode. (b) Aufnahmen des mesoC-Separators. (c) Langzeitzyklenbeständigkeit von Li-S-Zellen mit mesoC-beschichtetem Separator bei 0,5, 1 und 2 C (1 C = 1672 mA g-1)

Kontaktperson:

Dr. Lars Giebeler

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Publikationen:  

J. Balach, T. Jaumann, M. Klose, S. Oswald, J. Eckert, L. Giebeler: Mesoporous Carbon Interlayers with Tailored Pore Volume as Polysulfide Reservoir for High-Energy Lithium-Sulfur Batteries, The Journal of Physical Chemistry C 119 (2015),  9, 4580-4587.

J. Balach, T. Jaumann, M. Klose, S. Oswald, J. Eckert, L. Giebeler: Functional Mesoporous Carbon-Coated Separator for Long-Life, High-Energy Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Functional Materials 25 (2015), 33,  5285-5291.