Themen: Energie (287) Technologietransfer (41) HZB-Eigenforschung (82)

Science Highlight    17.05.2017

Bessere Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Akkus

Die Ti4O7-Nanopartikel weisen große Poren auf, zeigt die Elektronenmikroskopieaufnahme. adfm.201701176
Copyright: HZB/

Die spezifische Kapazität bleibt auch nach vielen Ladezyklen hoch. adfm.201701176
Copyright: HZB/

Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat erstmals Nanopartikel aus einer Titanoxidverbindung (Ti4O7) mit extrem großen Oberflächen hergestellt und in Lithium-Schwefelbatterien als Kathodenmaterial getestet. Das hochporöse Nanomaterial besitzt eine hohe Speicherkapazität, die über viele Ladezyklen annähernd stabil bleibt. 

Um Strom kompakt zu speichern, sind Lithium-Akkus momentan eine der besten Lösungen. In diesen Akkus wandern Lithium-Ionen während des Entladens von der Anode zum elektrischen Gegenpol, die Kathode. Diese besteht in der Regel aus Schwermetallverbindungen, die teuer und giftig sind.

Eine interessante Alternative sind Lithium-Schwefel-Batterien. Hier besteht die Kathode nicht aus Schwermetall, sondern aus Schwefel, einem preiswerten und reichlich verfügbaren Material. Wandern Lithium-Ionen während des Entladens zur Kathode, so läuft dort eine Reaktion ab, bei der sich Lithiumsulfid (Li2S) bildet. Ein unerwünschter Nebeneffekt sind jedoch die dabei ebenfalls entstehenden Lithium-Polysulfide, wodurch im Lauf von mehreren Ladezyklen die Kapazität der Batterie abnimmt. Deshalb arbeiten Forscher weltweit an verbesserten Kathodenmaterialien, die in der Lage sind, die Polysulfide einzuschließen, zum Beispiel mit Nanopartikeln aus Titandioxid (TiO2).

Ti4O7-Nanopartikel mit Poren

Das HZB-Team um Prof. Dr. Yan Lu hat nun ein Kathodenmaterial hergestellt, das noch deutlich leistungsfähiger ist. Auch hier sorgen Nanopartikel für den Einschluss des Schwefels. Sie bestehen allerdings nicht aus Titandioxid, sondern aus Ti4O7-Molekülen, die eine komplexe Architektur bilden: sie sind auf einer Kugelfläche angeordnet, die Poren aufweist. Diese porösen Nanopartikel binden Polysulfide wesentlich stärker als die üblichen TiO2-Nanopartikel.

Herstellung in mehreren Schritten

„Wir haben ein besonderes Herstellungsverfahren entwickelt, um diese komplexe dreidimensional vernetzte Porenstruktur zu erzeugen“, erklärt Yan Lu. Im ersten Schritt stellt Yan Lu dafür Gerüststrukturen aus Polymeren her, die winzige Kugeln mit poröser Oberfläche bilden. Diese Gerüststrukturen werden in weiteren Schritten vorbereitet und in eine Lösung aus Titanisopropoxid getaucht. Durch anschließende Hitzebehandlung bildet sich eine Schicht aus Ti4O7, wobei das Polymer darunter verdampft. Verglichen mit anderen Kathodenmaterialien aus Titanoxiden besitzen die Ti4O7-Nanopartikel eine extrem große Oberfläche. 12 Gramm dieses Materials würden ein Fußballfeld bedecken.

Funktionsweise der Nanopartikel an BESSY II entschlüsselt

Röntgenspektroskopie-Messungen (XPS) am CISSY-Experiment von BESSY II zeigen, dass Schwefel-Verbindungen sich an den nanostrukturierten Oberflächen  fest anbinden.

Hohe spezifische Kapazität

Dies erklärt auch die hohe spezifische Kapazität von 1219 Milliamperestunden (mAh) pro Gramm bei 0,1 C (1 C = 1675 mA g-1), die auch durch wiederholtes Laden und Entladen nur wenig reduziert wird (0.094 Prozent pro Zyklus). Zum Vergleich: Bei Kathodenmaterialien aus TiO2-Nanopartikeln liegt diese spezifische Kapazität bei 683 mAh/g. Um die Leitfähigkeit des Materials zu erhöhen, ist eine zusätzliche Beschichtung der Nanopartikel mit Kohlenstoff möglich. Dabei bleibt die hochporöse Struktur erhalten.

Auf industrielle Maßstäbe übertragbar

„Wir haben über ein Jahr daran gearbeitet, diese Synthese zuverlässig zu optimieren. Nun wissen wir, wie es geht. Jetzt wollen wir daran arbeiten, das Material als Dünnschicht herzustellen“, sagt Yan Lu. Und das Beste: Was im Labor gelingt, ist in diesem Fall auch auf industrielle Maßstäbe übertragbar. Denn alle Prozesse, von der Kolloidchemie bis zur Dünnschichttechnologie sind aufskalierbar.

 

Die Arbeit ist in Advanced Functional Materials (2017) publiziert:  "Porous Ti4O7 Particles with Interconnected-Pores Structure as High-Efficiency Polysulfide Mediator for Lithium-Sulfur Batteries"; Shilin Mei, Charl J. Jafta, Iver Lauermann, Qidi Ran, Martin Kärgell, Matthias Ballauff, Yan Lu

DOI: 10.1002/adfm.201701176

arö


           



Das könnte Sie auch interessieren
  • <p>Das neue Energy Materials in situ Laboratory (EMIL) mit direktem Zugang zum R&ouml;ntgenlicht von BESSY II wurde am 31. Oktober er&ouml;ffnet. </p>NACHRICHT      21.11.2016

    Forschen für die Energiewende: EMIL@BESSY II startklar für das Kopernikus Projekt „Power-to-X“

    Das Speichern von Überschussstrom aus Solar- und Windenergie zählt zu den großen Herausforderungen der Energiewende. Daher hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Kopernikus-Projekt „Power-to-X“ (P2X) aufgesetzt, um Forschungsprojekte zur Umwandlung von elektrischer Energie aus Sonne und Wind in chemische Grundstoffe, gasförmige Energieträger und Kraftstoffe voran zu bringen. An dem Forschungsvorhaben beteiligt sich auch das Helmholtz-Zentrum Berlin. Mit dem jetzt eröffneten Laborkomplex EMIL@BESSY II stehen einzigartige Synthese- und Analytiktools mit direktem Zugang zum Röntgenlicht von BESSY II zur Verfügung. Insgesamt sind 17 Forschungseinrichtungen, 26 Industrieunternehmen sowie drei zivilgesellschaftliche Organisationen eingebunden. In der ersten Entwicklungsphase fördert das BMBF das Projekt mit 30 Millionen Euro. [...]


  • <p>Die Illustration zeigt eine Verbindung, in deren Zentrum ein Eisen-Atom sitzt. Es ist von 4 CN-Gruppen und einem Bipyridin Molek&uuml;l umgeben. Das h&ouml;chste besetzte Eisenorbital ist als gr&uuml;n-rote Wolke dargestellt. Sobald eine Cyangruppe da ist, beobachtet man wie sich die &auml;u&szlig;eren Eisenorbitale delokalisieren, sodass auch um die Stickstoffatome Elektronen dicht vorhanden sind. Bild. T. Splettst&ouml;&szlig;er/HZB</p>SCIENCE HIGHLIGHT      14.11.2018

    Übergangsmetallkomplexe: Gemischt geht's besser

    Ein Team hat an BESSY II untersucht, wie unterschiedliche Eisenkomplex-Verbindungen Energie aus eingestrahltem Licht verarbeiten. Dabei konnten sie zeigen, warum bestimmte Verbindungen das Potenzial haben, Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Die Ergebnisse sind für die Entwicklung von organischen Solarzellen interessant. Die Studie wird auf dem Cover der Fachzeitschrift PCCP angekündigt. [...]




Newsletter