“Die vielversprechende Zukunft erschließen: Erforschung der Fortschritte und des Potenzials von Lithium-Schwefel-Batterien”
Kommerziell verwendete Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus Kathode, Anode, Separator und Elektrolyt. Lithium-Ionen-Batterien werden in Smartphones, Elektrowerkzeugen und Elektrofahrzeugen eingesetzt. Sie verwenden eine flüssige Elektrolytlösung.
Trotz ihrer weiten Verbreitung und Verbesserungen in derLithium-Ionen-BatterieTechnologie weisen sie auch bekannte Nachteile auf, wie z. B. Überhitzung und Lieferkettenprobleme mit Rohstoffen. Es gibt laufende Forschung zu diesen Problemen durch das Testen neuer Materialien beim Bau von Batterien. Ein solches Material ist Schwefel, der aufgrund seiner extremen Häufigkeit in der Natur ein Nebenprodukt der Ölindustrie ist. Das Material ist auch kostengünstig und hat die Fähigkeit, mehr Energie zu speichern als herkömmliche Lithium-Ionen-basierte Batterien.
Es wird erwartet, dass die weltweite Marktgröße für Schwefel-basierte Batterien mit einer CAGR von 17,69 % wächst und bis 2031 2,699 Millionen US-Dollar erreicht, von 517,4 Millionen US-Dollar im Jahr 2021.
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Komponenten einer Batterie–
Elektroden– Die Elektrode, die während der Entladung Elektronen freisetzt, ist eine Anode; die Elektrode, die die Elektronen aufnimmt, ist die Kathode. Sie speichern Lithium. Der Elektrolyt transportiert positiv geladene Lithiumionen (d. h. ein Ion ist ein elektrisch geladenes Teilchen, das erzeugt wird, um ein positives oder negatives Ion zu erzeugen, indem entweder Elektronen von einem neutralen Atom entfernt oder ihm hinzugefügt werden) von der Anode zur Kathode und umgekehrt durch den Separator. Die Bewegung von Lithiumionen erzeugt freie Elektronen in der Anode und erzeugt so eine Ladung, die elektrischen Strom durch ein Gerät fließen lässt, das mit Strom versorgt wird. Elektroden sind für die grundlegende Leistung der Batterie verantwortlich.
Separator und Elektrolyt– Diese beiden bestimmen die Sicherheit einer Batterie. Der Separator wirkt als physische Barriere zwischen Kathode und Anode, verhindert den direkten Elektronenfluss zwischen ihnen und blockiert den Elektronenfluss innerhalb der Batterie, so dass nur Ionen hindurchtreten können.
Der Elektrolyt überträgt Ionen (ladungsführende Partikel) zwischen den beiden Elektroden der Batterie hin und her, wodurch sich die Batterie auf- und entlädt.
Herausforderung bei der praktischen Anwendung von Lithium-Schwefel-Batterien
Das Aufladen der Li-S-Batterie führt zu einer Ansammlung von Material (Polysulfid), das dann in den Elektrolyten fließt und sich darin auflöst, was zu seiner Korrosion führt. Von Forschern als Polysulfid-Shuttling-Effekt bezeichnet, reduziert es die Lebensdauer der Batterie.
Um das Polysulfid-Shuttling zu verhindern, versuchten Wissenschaftler zu Beginn, eine redoxinaktive Zwischenschicht zwischen den Elektroden anzubringen. Sie nahm jedoch zusätzlichen Platz in der Batterie ein, wodurch die Speicherkapazität der Batterie reduziert wurde und das Shuttling nicht ausreichend reduziert wurde. Infolgedessen entwickelten Forscher eine poröse schwefelhaltige aktive Zwischenschicht im Gegensatz zu redoxinaktiven (d. h. sie unterliegt nicht ähnlichen Reaktionen wie in der Elektrode). Die Ergebnisse zeigten eine dreifache Kapazitätserhöhung und die Batterien mit aktiver Zwischenschicht behielten eine hohe Kapazität über 700 Lade-Entlade-Zyklen bei.
Jüngste Entwicklungen auf dem Markt für Schwefel-basierte Batterien
September 2022: NGK Insulators, Ltd. wurde mit einem Vertrag für ein Natrium-Schwefel-System mit 11,4 MW/69,6 MWh ausgezeichnet. Das System wird in der LNG-Station Tsu in der Präfektur Mie, Japan, eingesetzt.
Januar 2022: Lyten Inc. und das US-Verteidigungsministerium unterzeichneten eine Vereinbarung. Diese Vereinbarung zielt darauf ab, die Lithium-Schwefel-Batterien für den kommerziellen und nationalen Sicherheitsgebrauch zu verbessern.
Die Vorteile von Lithium-Schwefel-
Fazit
Lithium-Ionen-Batterien erreichen ihre technologische Weiterentwicklung. Li-S-Batterien haben sich als Lösung für die Einschränkungen herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien herauskristallisiert. Forscher versuchen, die aktuelle Herausforderung der kurzen Batterielebensdauer, die durch das Polysulfid-Shuttling verursacht wird, durch den Einsatz von Sulfid-Festkörperelektrolyten (SSEs) zu lösen. Li-S-Batterien haben eine hohe Energiedichte, erhöhte Sicherheit, Kosteneffizienz und der in Batterien verwendete Schwefel ist ein industrielles Nebenprodukt.
Autor: Abhishek Saini
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