Batterietechnik Was ist dran an All-Solid-State Lithium-Schwefel-Batterien?

All-Solid-State Lithium-Schwefel-Batterien (ASSLSB) gelten aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie, Sicherheit und Kosteneffizienz als vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von Energiespeichern. Doch was genau steckt hinter der Technik und werden wirklich alle Probleme gelöst?

All-Solid-State Lithium-Schwefel-Batterien könnte die nächste Generation von Energiespeichern einläuten. Jedoch gab es bisher ein zentrales Hindernis für ihre praktische Anwendung. Die langsame Festkörper-Festkörper-Schwefel-Redoxreaktion (SSSRR) an den Dreiphasengrenzen, die zu geringer Leistungsfähigkeit und kurzer Lebensdauer führte.

Doch was bedeutet das? Schwefel und seine Reduktionsprodukte (wie Li₂S) liegen in einem festen Zustand vor. Es ist keine flüssige Phase als Vermittler vorhanden. Der Vorteil einer flüssigen Phase als Vermittler in liegt hauptsächlich in der verbesserten Reaktionskinetik, der effizienten Ionen- und Elektronenübertragung und der homogeneren Reaktionsverteilung.

Durch den festen Zustand entstehen mehrere Probleme:

• Begrenzter Ionen- und Elektronentransport: In klassischen Lithium-Schwefel-Batterien mit flüssigem Elektrolyten lösen sich Schwefel und Polysulfide teilweise in der Flüssigkeit, was die Reaktionen erleichtert. In All-Solid-State-Systemen fehlen diese gelösten Spezies, sodass der Reaktionsfortschritt stark von der direkten Kontaktfläche zwischen Festkörpermaterialien abhängt.

• Reaktionskinetik ist extrem langsam: Die Umwandlung von elementarem Schwefel (S₈) in Li₂S erfordert eine Reihe von Elektronen- und Ionenübertragungen. Da sich feste Phasen oft schlecht durchmischen und die Diffusion in Festkörpern langsamer ist als in Flüssigkeiten, verläuft diese Reaktion in ASSLSBs sehr träge.

• Passivierung und Kontaktverlust: Während der Entladung bildet sich Li₂S als Reaktionsprodukt. Da Li₂S elektrisch isolierend ist, kann es sich als feste Schicht auf den Elektroden ablagern und die weitere Reaktion behindern. Dies führt zu Kapazitätsverlusten und einer schnellen Degradation der Batterie.

• Unzureichende Grenzflächenstabilität: Die Grenzflächen zwischen Schwefelkathode, Festelektrolyt und Lithiumanode sind oft instabil. Mechanische Spannungen durch Lade- und Entladezyklen können Mikrorisse verursachen, die den Kontakt zwischen den Phasen verschlechtern und den Ionenfluss weiter erschweren.

Nun wurde eine Studie veröffentlicht, welche in welcher Abhilfe versprochen wird. Forscher präsentieren eine Lösung für dieses Problem durch den Einsatz von Lithium-Thioborophosphat-Iodid (LBPSI) als glasförmigen Festkörperelektrolyten. Dieser Festkörperelektrolyt fungiert nicht nur als superionischer Leiter, sondern auch als oberflächlicher Redox-Mediator (chemische Verbindung, die die Übertragung von Elektronen zwischen zwei Reaktionspartnern erleichtert, indem sie als elektronischer oder ionischer Vermittler dient). Durch die reversible Redoxreaktion zwischen Iodid (I⁻) und Iod/Iodid-Komplexen (I₂/I₃⁻) erleichtert er die ansonsten trägen Reaktionen an den Festkörper-Festkörper-Grenzflächen und erhöht somit die Dichte der aktiven Reaktionszentren erheblich.

Aufgrund dieses Mechanismusses zeigen die entwickelten ASSLSBs eine beeindruckende Leistungsfähigkeit. Sie ermöglichen schnelles Laden und erreichen dabei eine spezifische Kapazität von knapp 1.500 mAh g⁻¹ (bezogen auf Schwefel) bei einer Ladegeschwindigkeit von 2C (30 °C). Selbst bei einer extrem hohen Ladegeschwindigkeit von 20C wird noch eine Kapazität von 784 mAh g⁻¹ erreicht. Außerdem soll die Batterie 25.000 Zyklen mit einer Restkapazität von 80,2 Prozent schaffen. (mr)

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