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Graphenschwamm hilft bei der Stabilisierung von Lithium-Schwefel-Batterien

Graphenschwamm hilft bei der Stabilisierung von Lithium-Schwefel-Batterien


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Lithium-Schwefel-Batterien sind wiederaufladbare Batterien, die sich durch ihre hohe spezifische Energie auszeichnen und eine theoretische Energiedichte bieten können, die mehr als das Fünffache der von Lithium-Ionen-Batterien beträgt.

Um unsere elektrische Zukunft aufzubauen, werden wir alle Arten von neuen und leistungsstarken Batterien benötigen, und Lithium-Schwefel-Batterien sind gute Kandidaten, aber sie sind noch nicht marktfähig.

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Dies liegt daran, dass sie zwei Hauptprobleme haben. Das erste ist, dass sich der Schwefel im Elektrolyten löst. Das zweite ist, dass Schwefelmoleküle von der Kathode zur Anode wandern.

Ein "Katholyt"

Jetzt haben Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, einen vielversprechenden Durchbruch für Lithium-Schwefel-Batterien entdeckt. Die Entdeckung besteht darin, die Kathode und den Elektrolyten zu einer Flüssigkeit zu kombinieren, was sie als "Katholyt" bezeichnen.

Eine herkömmliche Batterie besteht aus vier Teilen: zwei Stützelektroden, einer Anode und einer Kathode sowie einem Elektrolyten und einem Separator, der als physikalische Barriere fungiert und den Kontakt zwischen den beiden Elektroden verhindert, aber dennoch den Ionentransfer ermöglicht .

Die Kombination von Kathode und Elektrolyt kann nicht nur zur Gewichtsersparnis der Batterie beitragen, sondern bietet auch das Potenzial, eine bessere Ladung und eine bessere Leistung zu erzielen.

Das Team hat ein poröses, schwammartiges Aerogel aus reduziertem Graphenoxid erfunden. Das Graphen-Aerogel wirkt als freistehende Elektrode in der Batteriezelle und ermöglicht eine höhere Nutzung von Schwefel.

"Sie nehmen das Aerogel, das ein langer, dünner Zylinder ist, und schneiden es dann in Scheiben - fast wie eine Salami. Sie nehmen dieses Stück und komprimieren es, um es in die Batterie zu passen", sagt Carmen Cavallo vom Institut für Physik in Chalmers und leitender Forscher an der Studie.

"Die poröse Struktur des Graphen-Aerogels ist der Schlüssel. Es nimmt eine große Menge des Katholyten auf und gibt Ihnen eine ausreichend hohe Schwefelbeladung, damit sich das Katholytenkonzept lohnt. Diese Art von halbflüssigem Katholyten ist hier wirklich wichtig. Es ermöglicht den Schwefel ohne Verluste hin und her zu fahren. Es geht nicht durch Auflösung verloren - weil es bereits in der Katholytlösung gelöst ist ", fügt Cavallo hinzu.

Dies ist jedoch nicht der einzige Zweck der Katholytlösung. Es wird auch auf den Abscheider aufgebracht, damit dieser seine Elektrolytfunktion erfüllt und den Schwefelgehalt der Batterie weiter maximiert.

Höhere Energiedichte

Lithium-Schwefel-Batterien sind aufgrund ihrer höheren Energiedichte sehr erwünscht. Die besten Lithium-Ionen-Batterien arbeiten bei etwa 300 Wattstunden pro kg während Lithium-Schwefel-Batterien eine Energiedichte von etwa bieten können 1000-1500 Wattstunden pro kg.

"Darüber hinaus ist Schwefel billig, sehr häufig und viel umweltfreundlicher. Lithium-Schwefel-Batterien haben auch den Vorteil, dass sie kein umweltschädliches Fluor enthalten müssen, wie es üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien vorkommt", sagt Aleksandar Matic, Professor am Chalmers Department of Physics, der die Forschungsgruppe hinter dem Papier leitet.

Bisher waren Lithium-Schwefel-Batterien jedoch instabil und hatten daher eine geringe Lebensdauer. Der neue Prototyp hat jedoch eine 85% Kapazitätserhalt nach 350 Zyklen, indem alle Probleme vermieden werden, die mit Lithium-Schwefel-Batterien verbunden sind.

Die Studie ist in der veröffentlicht Journal of Power Sources.


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