Kathoden auf Siliziumbasis stabilisieren Li-S-Zellen. Effekt: mehr als 2 Ladezyklen statt mehrere Dutzend
Wissenschaftler des Daegu Institute of Science and Technology (DGIST, Südkorea) haben eine Silizium-basierte Kathode entwickelt, die voraussichtlich mehr als 2 Ladezyklen in Li-S-Zellen standhält. Klassische Lithium-Ionen-Zellen verwenden reines Silizium in den Anoden, um Graphit zu ergänzen und schrittweise zu ersetzen. Hier wurde Siliziumoxid verwendet, und Siliziumdioxid wurde in der Kathode verwendet.
Li-S-Zelle = Lithiumanode, Siliziumdioxidkathode mit Schwefel
Li-S-Zellen gelten aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihres Gewichts und der geringen Herstellungskosten als interessant. Bisher ist es jedoch niemandem gelungen, eine solche Version zu entwickeln, die mehr als ein paar Dutzend Ladezyklen übersteht. Grund dafür sind Lithiumpolysulfide (LiPS), die sich beim Entladen im Elektrolyten auflösen und mit der Anode reagieren, deren Kapazität verringern und dadurch die Batterie zerstören.
Möglicherweise haben südkoreanische Forscher eine Lösung für das Problem gefunden. Anstelle von kohlenstoffbasierten Materialien (wie Graphit) wurden in der Kathode Materialien verwendet. Lamellenstruktur aus mesoporösem Siliciumdioxid (POMS).
Die lamellare Struktur wird verstanden, während Mesoporosität die Ansammlung von Poren (Hohlräumen) in Siliciumdioxid bedeutet, die eine geplante Größe, Flächendichte und geringe Größenstreuung aufweisen (Quelle). Es ist ein bisschen so, als würde man regelmäßig nebeneinanderliegende Platten aus einer Art Silikat durchstechen, um ein Sieb herzustellen.
DGIST-Wissenschaftler nutzten diese Löcher, um darin Schwefel abzulagern (Abbildung a). Beim Entladen löst sich Schwefel und bildet mit Lithium Lithiumpolysulfide (LiPS). Somit fließt die Ladung, aber LiPS bleibt aufgrund eines zusätzlichen unbestimmten Kohlenstofffaktors in der Nähe der Kathode gefangen (schwarze Struktur, Abbildung b).
Beim Laden gibt LiPS Lithium ab, das zur Lithiumanode zurückgeführt wird. Andererseits geht Schwefel in Kieselsäure über. Keine LiPS-Leckage zur Anode, keine Metallschäden.
Der so entstandene Li-S-Akku behält seine hohe Kapazität und Stabilität über mehr als 2 Arbeitszyklen. Als Standard für klassische Li-Ionen-Zellen gelten mindestens 500-700 Betriebszyklen, wobei man hinzufügen muss, dass gut behandelte Lithium-Ionen-Zellen mehrere tausend Zyklen aushalten können.
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