„Die vielversprechende Zukunft erschließen: Erforschung der Fortschritte und des Potenzials von Lithium-Schwefel-Batterien“

Kommerziell eingesetzte Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus Kathode, Anodenseparator und Elektrolyt. Lithium-Ionen-Batterien werden in Smartphones, Elektrowerkzeugen und Elektrofahrzeugen eingesetzt. Sie verwenden flüssige Elektrolytlösung.

Trotz des breiten Einsatzes und der Verbesserungen in der Lithium-Ionen-Batterie-Technologie weisen sie auch bekannte Nachteile auf, wie z. B. Überhitzung und Probleme in der Lieferkette mit Rohstoffen. Es wird laufend an diesen Problemen geforscht, indem neue Materialien für den Bau von Batterien getestet werden. Eines dieser Materialien ist Schwefel, der aufgrund seines extremen Vorkommens in der Natur ein Nebenprodukt der Ölindustrie ist. Das Material ist außerdem kostengünstig und kann mehr Energie speichern als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.

Es wird erwartet, dass die Marktgröße für Schwefelbatterien weltweit mit einer CAGR von 17,69 % wächst und bis 2031 2.699 Millionen US-Dollar erreichen wird, 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 ergeben, 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. 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 Elektronenfluss zwischen ihnen, wodurch der Elektronenfluss 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 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 auflöst, was zu dessen Korrosion führt. Dieser Effekt wird von Forschern als Polysulfid-Shuttle-Effekt bezeichnet und verkürzt die Lebensdauer der Batterie.

Um das Polysulfid-Shutting zu verhindern, versuchten Wissenschaftler zunächst, eine redox-inaktive Zwischenschicht zwischen den Elektroden zu platzieren. Dies nahm jedoch zusätzlichen Platz innerhalb der Batterie ein, reduzierte die Speicherkapazität der Batterie und reduzierte das Shutting nicht ausreichend. Anschließend entwickelten Forscher eine poröse, schwefelhaltige aktive Zwischenschicht im Gegensatz zu redox-inaktiven (d. h. sie unterliegt nicht ähnlichen Reaktionen wie in der Elektrode). Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Kapazität verdreifachte und die Batterien mit aktiver Zwischenschicht über 700 Lade- und Entladezyklen eine hohe Kapazität beibehielten.

Jüngste Entwicklungen auf dem Markt für Schwefelbatterien

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 unterzeichneten eine Vereinbarung. Diese Vereinbarung zielt darauf ab, die Lithium-Schwefel-Batterien für kommerzielle und nationale Sicherheitszwecke 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-Shutting verursacht wird, durch den Einsatz von Sulfid-Festkörperelektrolyten (SSEs) zu lösen. 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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