"Erschließung der vielversprechenden Zukunft: Erforschung der Fortschritte und des Potenzials von Lithium-Schwefel-Batterien"
Kommerziell verwendete Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus Kathode, Anodenseparator und Elektrolyt. Lithium-Ionen-Batterien werden in Smartphones, Elektrowerkzeugen und E-Fahrzeugen verbaut. Sie verwenden eine flüssige Elektrolytlösung.
Trotz der breiten Verwendung und der Verbesserungen in der Lithium-Ionen-Batterie-Technologie weisen diese auch bekannte Nachteile auf, wie z. B. Überhitzung und Probleme in der Lieferkette mit Rohstoffen. Es gibt laufende Forschungen zu diesen Problemen, bei denen neue Materialien beim Bau 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 gegenüber 517,4 Millionen im Jahr 2021 erreicht.
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Komponenten einer Batterie–
Elektroden– Die Elektrode, die beim Entladen Elektronen freisetzt, ist eine Anode; die Elektrode, die die Elektronen absorbiert, ist die Kathode. Sie speichern Lithium. Der Elektrolyt transportiert positiv geladene Lithium-Ionen (d. h. ein Ion ist ein elektrisch geladenes Teilchen, das durch Entfernen oder Hinzufügen von Elektronen aus einem neutralen Atom ein positives oder negatives Ion erzeugt) von der Anode zur Kathode und umgekehrt durch den Separator. Die Bewegung von Lithium-Ionen erzeugt freie Elektronen in der Anode, wodurch eine Ladung entsteht, die elektrischen Strom durch ein mit Strom versorgtes Gerät leitet. Elektroden sind für die grundlegende Leistung der Batterie verantwortlich.
Separator und Elektrolyt– Diese beiden bestimmen die Sicherheit einer Batterie. Der Separator fungiert als physische Barriere zwischen Kathode und Anode und verhindert den direkten Elektronenfluss zwischen ihnen, wodurch der Elektronenfluss innerhalb der Batterie blockiert wird, sodass nur Ionen durch sie hindurchtreten können.
Der Elektrolyt überträgt Ionen (ladungstragende Partikel) zwischen den beiden Elektroden der Batterie hin und her, wodurch sich die Batterie auf- und entlädt.
Herausforderung bei der praktischen Verwendung 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 löst, was zu dessen Korrosion führt. Von Forschern als Polysulfid-Shuttle-Effekt bezeichnet, verkürzt es die Lebensdauer der Batterie.
Um den Polysulfid-Shutting zu verhindern, versuchten Wissenschaftler zu Beginn, eine redox-inaktive Zwischenschicht zwischen den Elektroden zu platzieren. Letztendlich nahm es jedoch zusätzlichen Platz innerhalb der Batterie ein, 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 redox-inaktiv (d. h. sie durchläuft nicht ähnliche Reaktionen wie in der Elektrode). Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Kapazität um das Dreifache erhöhte und die Batterien mit aktiver Zwischenschicht über 700 Lade-Entlade-Zyklen eine hohe Kapazität beibehielten.
Neueste Entwicklungen auf dem Markt für Batterien auf Schwefelbasis
September 2022: NGK Insulators, Ltd. wurde mit einem Auftrag für ein 11,4-MW/69,6-MWh-Natrium-Schwefel-System belohnt. Das System wird in der Tsu LNG-Station in der Präfektur Mie, Japan, eingesetzt.
Januar 2022: Lyten Inc. und das US-Verteidigungsministerium haben eine Vereinbarung unterzeichnet. 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 eine Lösung für die Einschränkungen herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien herauskristallisiert. Forscher suchen nach einer Lösung für die aktuelle Herausforderung der kurzen Batterielebensdauer, die durch 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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