Es wird kontinuierlich geforscht und experimentiert, um neue und bessere Batterien zu finden, die nachhaltig, sicher und stabil sind. Bei einem solchen Versuch entdeckten Forscher eine stabile und sichere Lithiumsulfid-Batterie, die gefaltet und sogar halbiert werden kann.
Ein Forschungsteam der Universität für Elektronikwissenschaft und -technologie Chinas hat erfolgreich Lithiumbatterien auf Basis von Übergangsmetallsulfiden entwickelt. Die Forscher beschichteten Eisensulfid-Kathoden mit Polymeren, was zu einem stabilen Lade-/Entladeverhalten und hoher Sicherheit führte. Nach 300 Zyklen behielt die Lithiumcarbid-Eisendisulfid-Pouchzelle noch etwa 72.0 % ihrer Kapazität . Darüber hinaus zeigte diese Lithium-Schwefel-Batterie (Li-S) nach 100 Zyklen keinen Kapazitätsverlust.
Überraschenderweise gelang es Wissenschaftlern, eine der Pouch-Batteriezellen zu falten und abzuschneiden. Laut den Forschern beweist dies, dass die Zelle für praktische Anwendungen sehr sicher ist.
Vorteile: Die Vorteile von Konversions-Übergangsmetallsulfiden (MSc) liegen in ihrer leichten Verfügbarkeit, hohen Energiedichte und niedrigen Kosten. Diese Eigenschaften machen sie zu vielversprechenden Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien (LIBs).
Herausforderungen: MSx weist aufgrund der Polysulfid-Abschließung Stabilitätsprobleme bei hohen Temperaturen auf. Zudem kommt es zu einer erheblichen Volumenausdehnung und einer trägen Reaktionskinetik.
Lösungsansätze: Die Gruppe hatte zuvor die Verwendung eines auf Carbonat basierenden Elektrolyten zur Trennung von zwei Elektroden vorgeschlagen: einer Eisensulfid-Kathode und einer Lithiummetall-haltigen Anode.
Diese Lösung führte jedoch zu einem anderen Problem.
Problem: Die Forscher wiesen darauf hin, dass die Unverträglichkeit von MSx mit carbonatbasierten Elektrolyten eine große Herausforderung für diese Art von Batterietechnologie darstellt. Polysulfide reagieren mit carbonatbasierten Lösungsmitteln und bilden dabei Ausfällungen auf der Elektrodenoberfläche. Dies führt zu einer Barriere für den Ladungstransfer, was eine Verstopfung der Elektrode und somit einen Batterieausfall zur Folge hat.
Lösung: Die Eisensulfid-Kathoden wurden mit verschiedenen Polymeren beschichtet. Dadurch wurde die Korrosion reduziert, ohne die Funktionalität und Wiederaufladbarkeit zu beeinträchtigen. Polyacrylsäure (PAA), Polyethylenoxid (PEO) und Polyacrylamid (PAM) wurden gezielt eingesetzt, da sie alle funktionelle Gruppen mit Chelatisierungseffekt enthalten.
In einer weiteren Studie wurde eine umweltfreundliche Batterieproduktionsmethode auf Basis von Trockensynthese und Steinsalzoxid entdeckt.
In dem Bericht heißt es: „Der Chelatisierungseffekt beruht auf der Koordination von freien Elektronenpaaren an Sauerstoff oder Stickstoff und leeren Orbitalen mehrwertiger Übergangsmetalle.“
Elektrochemische Leistungstests zeigen, dass PAA die beste Leistung erbringt, indem es die Entladekapazität der Elektrode nach 300 Lade-Entlade-Zyklen beibehält.
Anschließend ergänzten sie den stabilen und sicheren Prototyp der Lithiumsulfidbatterie um eine PAA-beschichtete Eisensulfid-Kathode (FeS2). Der Entwurf verfügt außerdem über eine Lithiummetallfolie als Ionenquelle und eine Lithiumkarbid-Anode (LiC6). Der Test zeigte zudem, dass selbst nach 100 Zyklen und selbst beim Falten oder Schneiden der Zelle kein Kapazitätsverlust auftrat.
Die Forscher erklärten außerdem: „LiC6||MoS6-Vollzellen zeigten eine ausgezeichnete Zyklenstabilität für 300 Zyklen mit der gleichen hohen Kapazität wie die Halbzelle (Li||MoS6), und die gleiche Situation trat auch bei LiC6||VS4 auf“, erklärten sie.
