Bessere Lithium-Schwefel-Akkus Montag, 12.06.2017

Hochporöses Nanomaterial mit hoher Speicherkapazität

Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat Nanopartikel aus einer Titanoxidverbindung (Ti₄O₇) mit extrem großen Oberflächen hergestellt und in Lithium-Schwefelbatterien als Kathodenmaterial getestet. Das hochporöse Nanomaterial besitzt eine hohe Speicherkapazität, die über viele Ladezyklen annähernd stabil bleibt.

Lithium-Akkus sind momentan eine der besten Lösungen. In ihnen wandern Lithium-Ionen während des Entladens von der Anode zum elektrischen Gegenpol, die Kathode  Eine Alternative sind Lithium-Schwefel-Batterien. Hier besteht die Kathode nicht aus Schwermetall, sondern aus Schwefel. Wandern Lithium-Ionen während des Entladens zur Kathode, so läuft dort eine Reaktion ab, bei der sich Lithiumsulfid (Li₂S) bildet. Ein unerwünschter Nebeneffekt sind jedoch die dabei ebenfalls entstehenden Lithium-Polysulfide, wodurch im Lauf von mehreren Ladezyklen die Kapazität der Batterie abnimmt. Deshalb arbeiten Forscher weltweit an verbesserten Kathodenmaterialien, die in der Lage sind, die Polysulfide einzuschließen, zum Beispiel mit Nanopartikeln aus Titandioxid (TiO₂).

Das HZB-Team  hat nun ein Kathodenmaterial hergestellt, das noch deutlich leistungsfähiger ist.  Es besteht aus Ti₄O₇-Molekülen, die eine komplexe Architektur bilden: sie sind auf einer Kugelfläche angeordnet, die Poren aufweist. Diese porösen Nanopartikel binden Polysulfide wesentlich stärker als die üblichen TiO₂-Nanopartikel. Verglichen mit anderen Kathodenmaterialien aus Titanoxiden besitzen die Ti₄O₇-Nanopartikel eine extrem große Oberfläche. 12 Gramm dieses Materials würden ein Fußballfeld bedecken.

Dies erklärt auch die hohe spezifische Kapazität von 1219 Milliamperestunden (mAh) pro Gramm bei 0,1 C (1 C = 1675 mA g^-1), die auch durch wiederholtes Laden und Entladen nur wenig reduziert wird (0.094 Prozent pro Zyklus).  Um die Leitfähigkeit des Materials zu erhöhen, ist eine zusätzliche Beschichtung der Nanopartikel mit Kohlenstoff möglich. Dabei bleibt die hochporöse Struktur erhalten.

 

Bild: HZB - Ti₄O₇-Nanopartikel als Kathodenmaterial in Lithium-Schwefel Akkus weisen große Poren auf. 

 

AK
1.6.17