„Erschließung einer vielversprechenden Zukunft: Erforschung der Fortschritte und des Potenzials von Lithium-Schwefel-Batterien“
Kommerziell genutzte Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus Kathode, Anodenseparator und Elektrolyt. Lithium-Ionen-Batterien sind in Smartphones, Elektrowerkzeugen und Elektrofahrzeugen verbaut. Sie verwenden eine flüssige Elektrolytlösung.
Trotz des breiten Einsatzes und der Verbesserungen in der Lithium-Ionen-Batterie-Technologie haben sie auch bekannte Nachteile, wie z. B. Überhitzung und Probleme in der Lieferkette mit Rohstoffen. Es wird laufend an diesen Problemen geforscht, indem neue Materialien für den Aufbau von Batterien getestet werden. Ein solches Material ist Schwefel, aufgrund seines extremen Vorkommens in der Natur, ein Nebenprodukt der Ölindustrie. Das Material ist außerdem kostengünstig und kann mehr Energie speichern als herkömmliche Batterien auf Lithium-Ionen-Basis.
Es wird erwartet, dass die weltweite Marktgröße für Batterien auf Schwefelbasis mit einer CAGR von 17,69 % wächst und bis 2031 2.699 Millionen US-Dollar erreicht, gegenüber 517,4 Millionen im Jahr 2021.
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Komponenten einer Batterie–
Elektroden– Die Elektrode, die beim Entladen 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 hinzugefügt werden) von der Anode zur Kathode und umgekehrt durch den Separator. Die Bewegung von Lithiumionen erzeugt freie Elektronen in der Anode, wodurch eine Ladung entsteht, die elektrischen Strom durch ein mit Strom versorgtes Gerät leitet. Die 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 und verhindert den direkten Fluss von Elektronen zwischen ihnen, wodurch der Fluss von Elektronen innerhalb der Batterie blockiert wird, sodass nur Ionen durch sie hindurchtreten können.
Der Elektrolyt transportiert Ionen (ladungstragende Teilchen) zwischen den beiden Elektroden der Batterie hin und her, wodurch sich die Batterie lädt und entlädt.
Herausforderung bei der praktischen Verwendung von Lithium-Schwefel-Batterien
Das Laden der Li-S-Batterie führt zu einem Anstieg des Materials (Polysulfid), das dann fließt und sich im Elektrolyten auflöst, was zu dessen Korrosion führt. Dieser von Forschern als Polysulfid-Shuttle-Effekt bezeichnete Effekt verkürzt die Batterielebensdauer.
Um das Polysulfid-Shutting zu verhindern, versuchten Wissenschaftler zunächst, eine redoxinaktive Zwischenschicht zwischen den Elektroden zu platzieren. Dies führte jedoch dazu, dass zusätzlicher Platz innerhalb der Batterie beansprucht wurde, wodurch die Speicherkapazität der Batterie verringert wurde und das Shutting nicht ausreichend reduziert wurde. Anschließend entwickelten die Forscher eine poröse, schwefelhaltige aktive Zwischenschicht im Gegensatz zu redoxinaktiven (d. h. sie geht keine ähnlichen Reaktionen wie in der Elektrode ein). Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Kapazität verdreifachte und die Batterien mit aktiver Zwischenschicht über 700 Lade-Entlade-Zyklen eine hohe Kapazität beibehielten.
Jüngste Entwicklungen auf dem Markt für Batterien auf Schwefelbasis
September 2022: NGK Insulators, Ltd. wurde mit einem Vertrag für ein 11,4-MW/69,6-MWh-Natrium-Schwefel-System ausgezeichnet. Das System wird in der Tsu LNG-Station 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 ihren technologischen Fortschritt. Li-S-Batterien haben sich als Lösung für die Einschränkungen traditioneller Lithium-Ionen-Batterien herauskristallisiert. Die Forscher suchen nach einer Lösung für die aktuelle Herausforderung der kurzen Batterielebensdauer, die durch das Polysulfid-Shutting verursacht wird, indem sie Sulfid-Festkörperelektrolyte (SSEs) verwenden. Li-S-Batterien haben eine hohe Energiedichte, verbesserte Sicherheit, Kosteneffizienz und der in Batterien verwendete Schwefel ist ein industrielles Nebenprodukt.
Autor: Abhishek Saini
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