„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 weit verbreiteten Nutzung und Verbesserungen in derLithium-Ionen-BatterieTechnologie, haben sie auch bekannte Nachteile, wie Überhitzung und Probleme in der Lieferkette mit Rohstoffen. Es wird weiterhin an diesen Problemen geforscht, indem neue Materialien beim Bau von Batterien getestet werden. Ein solches Material ist Schwefel, der in der Natur extrem reichlich vorhanden ist und ein Nebenprodukt der Ölindustrie darstellt. 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 durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 17,69 % wächst und bis 2031 von 517,4 Millionen US-Dollar im Jahr 2021 auf 2.699 Millionen US-Dollar ansteigt.

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Bestandteile einer Batterie–

Elektroden– Die Elektrode, die während der Entladung 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 von einem neutralen Atom erzeugt wird) 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 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 physikalische Barriere zwischen Kathode und Anode, verhindert den direkten Elektronenfluss zwischen ihnen und blockiert den Elektronenfluss innerhalb der Batterie, so dass nur Ionen durch sie hindurchtreten können.

Der Elektrolyt transportiert Ionen (ladungsführende Partikel) zwischen den beiden Elektroden der Batterie hin und her, wodurch sich die Batterie lädt und entlädt.

Herausforderung bei der praktischen Anwendung von Lithium-Schwefel-Batterien

Das Aufladen der Li-S-Batterie führt zu einem Materialaufbau (Polysulfid), das dann in den Elektrolyten fließt und sich darin auflöst, was zu dessen Korrosion führt. Von Forschern als Polysulfid-Shuttling-Effekt bezeichnet, reduziert es die Batterielebensdauer.

Um das Polysulfid-Shuttling zu verhindern, versuchten Wissenschaftler zunächst, eine redox-inaktive Zwischenschicht zwischen den Elektroden zu platzieren. Dies führte jedoch dazu, dass zusätzlicher Platz innerhalb der Batterie benötigt wurde, was die Speicherkapazität der Batterie verringerte und das Shuttling nicht ausreichend reduzierte. Anschließend entwickelten die Forscher eine poröse schwefelhaltige aktive Zwischenschicht im Gegensatz zu redox-inaktiv (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. erhielt einen Auftrag für ein Natrium-Schwefel-System mit 11,4 MW/69,6 MWh. 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 die nationale Sicherheit zu verbessern.

Die Vorteile von Lithium-Schwefel-

Schlussfolgerung

Lithium-Ionen-Batterien erreichen ihren technologischen Fortschritt. Li-S-Batterien haben sich als Lösung für die Einschränkungen herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien herauskristallisiert. Forscher suchen nach Lösungen für die aktuelle Herausforderung der kurzen Batterielebensdauer, die durch das Polysulfid-Shuttling verursacht wird, indem sie Festkörperelektrolyte (SSEs) auf Sulfidbasis einsetzen. Li-S-Batterien haben eine hohe Energiedichte, erhöhte Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und der in Batterien verwendete Schwefel ist ein industrielles Nebenprodukt.

Autor: Abhishek Saini

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