Kathodenmaterialien

Trotz ihrer weiten Verbreitung basieren heutige Lithium-Ionen-Batterien immer noch auf Kathodenmaterialien wie LiCoO2 oder LiFePO4 mit relativ geringen theoretischen, spezifischen Kapazitäten von 272 mAh g–1, beziehungsweise 170 mAh g–1. In praktisch realisierbaren Kapazitäten liegen für gewöhnlich noch deutlich niedriger.

Eine Möglichkeit dieses Problem zu lösen und den Anforderungen gerecht zu werden, die an zukünftige Energiespeichersysteme gestellt sind, stellt die Verwendung von Schwefel als Alternative zu den oben genannten, etablierten Kathodenmaterialien in lithiumhaltigen Batterien dar. Diese Tatsache ist vor allem auf die hohe theoretische, spezifische Kapazität von Schwefel in solchen Systemen von 1672 mAh g–1 zurückzuführen. Zudem werden jährlich mehrere Millionen Tonnen Schwefel weltweit produziert, was diesen sehr kostengünstig macht. Diese Umstände und die Tatsache, das Schwefel ungiftig ist, machen jenen zu einer sehr wünschenswerten Komponente für diese Art der Anwendung.

Es müssen jedoch noch einige Hürden überwunden werden, bis die Lithium-Schwefel-Technologie die momentan genutzten Systeme ersetzen kann. Ein Hauptproblem in dieser Hinsicht ist die Bildung von löslichen Polysulfiden während der Lithiierung des Schwefels. Diese Verbindungen können durch den Separator diffundieren, was „Polysulfid-Shuttle-Effekt“ genannt wird. Dieses Phänomen führt letztlich zu einem Verlust an Aktivmaterial auf der Seite der Kathode, zu Schäden an der Anode, einer Verringerung der Coulombeffizienz und damit auch zu einer deutlich niedrigeren Lebensdauer der Zelle. Darüber hinaus sind Schwefel und seine entsprechenden lithiierten Spezies elektrisch nicht-leitend.

Diese Probleme können durch die Verwendung von porösen Kohlenstoffmaterialien als Matrix für den Schwefel gelöst werden. Bei der Verwendung von Kohlenstoffen mit einer spezifischen, angepassten Porosität, wird Schwefel in der Elektrode zurück gehalten, wodurch der Polysulfid-Shuttle-Effect unterdrückt wird. Außerdem wird Schwefel so sehr gut elektrisch kontaktiert, wodurch die Ausnutzung des Aktivmaterials verbessert und eine höhere spezifische Leistung erreicht wird.

Wir arbeiten an einer Vielzahl von verschiedenen Kohlenstoffmaterialien für diese Art der Anwendung, wobei besonderes Augenmerk leicht aufskalierbaren Synthesewegen gilt, die nur eine geringe Anzahl an Prozessschritten benötigen.

Kontaktperson:

Dr. Lars Giebeler

Email  

Publikationen:

M. Klose, K. Pinkert, M. Zier, M. Uhlemann, F. Wolke, T. Jaumann, P. Jehnichen, D. Wadewitz, S. Oswald, J. Eckert, L. Giebeler, Hollow carbon nano-onions with hierarchical porosity derived from commercial metal organic framework, Carbon 79 (2014), 302-309.