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Überarbeitung von Lithium-Schwefel-Batterien
Lithium-Schwefel-Batterien, die potenziell ein Mehrfaches an Energie speichern können als Lithium-Ionen-Batterien, waren in der Vergangenheit zu teuer, unsicher und unzuverlässig, um sie kommerziell herzustellen. Aber sie bekommen jetzt aufgrund einiger neuerer Fortschritte ein neues Aussehen. Verbesserungen am Design dieser Batterien haben den Chemieriesen dazu gebracht BASF aus Ludwigshafen, Deutschland, zu kooperieren Sittenmacht , ein Unternehmen in Tucson, AZ, das bereits Prototypen von Lithium-Schwefel-Batteriezellen entwickelt hat.
Schwefelkraft: Dieser Prototyp einer Lithium-Schwefel-Batterie wurde von Sion Power entwickelt. Gemeinsam mit BASF will das Unternehmen das Batteriedesign für den Einsatz in Elektrofahrzeugen verbessern.
Im Vergleich zu bestehenden Technologien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, ist geplant, die Fahrstrecke bei einer gegebenen Batteriegröße um mindestens das 5- bis 10-fache zu erhöhen, sagt Thomas Weber, CEO einer Tochtergesellschaft der BASF BASF-Zukunftsgeschäft . Andere Experten sagen, dass eine dreifache Verbesserung eine vernünftigere Schätzung ist, aber das wäre immer noch ein beeindruckender Leistungssprung. Weber sagt, dass die Materialkompetenz der BASF Sion Power helfen wird, seine Technologie weiter zu verbessern und schneller auf den Markt zu bringen. Er lehnte es jedoch ab, Einzelheiten zu der Vereinbarung bekannt zu geben, einschließlich der Höhe des Geldes und der Gewinnbeteiligung der Unternehmen.
Lithium-Schwefel-Batterien haben eine Elektrode aus Lithium und eine andere aus Schwefel, der typischerweise mit Kohlenstoff gepaart ist. Wie bei Lithium-Ionen-Batterien beinhaltet das Laden und Entladen der Batterie die Bewegung von Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden. Aber die theoretische Kapazität von Lithium-Schwefel-Batterien ist aufgrund der Art und Weise, wie die Ionen an den Elektroden aufgenommen werden, höher als die von Lithium-Ionen-Batterien. An der Schwefelelektrode kann beispielsweise jedes Schwefelatom zwei Lithiumionen aufnehmen. Typischerweise können in Lithium-Ionen-Batterien für jedes Wirtsatom nur 0,5 bis 0,7 Lithium-Ionen untergebracht werden, sagt schöne nazar , Professor für Chemie an der University of Waterloo.
Die Herstellung von Materialien, die diese höhere theoretische Kapazität nutzen, war eine Herausforderung. Ein großes Problem war, dass Schwefel ein isolierendes Material ist, das es für Elektronen und Ionen schwierig macht, sich hinein- und herauszubewegen. Während also jedes Schwefelatom theoretisch in der Lage sein kann, zwei Lithiumionen aufzunehmen, nehmen tatsächlich oft nur die Schwefelatome in der Nähe der Oberfläche des Materials Lithiumionen auf.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass der Schwefel, wenn er sich an Lithiumionen bindet und schließlich Dilithiumsulfid bildet, eine Reihe von Zwischenprodukten bildet, die als Polysulfide bezeichnet werden. Diese lösen sich im flüssigen Elektrolyt der Batterie auf und können sich schließlich in anderen Bereichen der Batterie absetzen, wo sie das Laden und Entladen blockieren können. Aus diesem Grund kann die Batterie nach nur wenigen Dutzend Zyklen ganz aufhören zu arbeiten.
Darüber hinaus birgt die Lithium-Metall-Elektrode potenzielle Sicherheitsprobleme. Beispielsweise kann die Lithium-Elektrode während des Gebrauchs verzweigte Strukturen anwachsen, die die Impedanz der Zelle erhöhen, wodurch sie sich aufheizt. Schließlich können diese Strukturen einen Kurzschluss verursachen. Wenn sich der Akku erwärmt, kann das Metall schmelzen. Wenn das geschmolzene Lithium aus der Zelle austritt und mit Wasser in Kontakt kommt, kann es zu einem Brand kommen. Auch der Elektrolyt der Batterie kann Feuer fangen.
Obwohl er sich weigerte, Einzelheiten zu nennen, sagt Weber, dass diese Sicherheitsprobleme gelöst wurden. Das Ziel der BASF ist es, die Materialien weiter zu verbessern, um mehr von ihrer theoretischen Kapazität zu erreichen, wofür das Unternehmen einen klaren Plan hat.
In Bezug auf Sicherheitsfragen könnten drei Fortschritte Webers Zuversicht ausmachen. Methoden zur chemischen Behandlung von Lithium-Metall-Elektroden können zumindest eine gewisse Dendritenbildung verhindern, obwohl nicht alle Forscher davon überzeugt sind, dass dieser Ansatz ausreichend sein wird. Außerdem könnten verbesserte Polymer- und Keramikmembranen, die die beiden Elektroden trennen und einem Durchdringen durch die Dendriten widerstehen, Kurzschlüsse verhindern. Die Batterien können jedoch weiterhin anfällig für Kurzschlüsse sein, wenn sie beschädigt sind. Um Elektrolytbrände zu vermeiden, könnten laut Nazar weniger flüchtige Elektrolyte mit Lithium-Schwefel-Batterien verwendet werden, da diese eine niedrigere Spannung als Lithium-Ionen-Batterien haben.
Andere Probleme, einschließlich geringer Leitfähigkeit und einer begrenzten Anzahl von Aufladezyklen, scheinen zumindest teilweise von Sion Power angegangen worden zu sein. Das Unternehmen hat Zellen hergestellt, die mehr als doppelt so viel Energie speichern wie heute verfügbare Lithium-Ionen-Batterien, was die BASF verbessern will. Und Weber sagt, dass die Batterien ein Autoleben lang halten können, obwohl dies eher auf Prognosen von Sion Power als auf gemessener Leistung basiert.
John Kopera, Director of Commercial Operations von Sion Power, sagt, dass die aktuellen Batterien des Unternehmens für 50 Zyklen ausgelegt sind und dass es einen umfassenden Plan hat, etwa 1.000 Zyklen zu erreichen. (Das reicht für bis zu 300.000 Meilen Fahrt mit einem Akku, der eine Reichweite von 300 Meilen bietet.)
Details über ihre Fortschritte behalten beide Unternehmen für sich. Aber diese Woche im Journal Naturmaterialien, Nazar beschrieb einen möglichen Ansatz zur Lösung dieser Probleme. In der Vergangenheit haben Forscher die Leitfähigkeit verbessert, indem sie Schwefel mit Kohlenstoff kombinierten. Nazar ging noch einen Schritt weiter, indem er Elektroden aus regelmäßig beabstandeten Kohlenstoffröhrchen nahm und sie nur wenige Nanometer breit machte. (Ihre Struktur unterscheidet sich von der von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.) Dann packte Nazars Team Schwefel in die nanoskaligen Räume zwischen diesen Röhren, so dass die meisten Schwefelatome in der Nähe von leitfähigem Kohlenstoff sitzen und sie sowohl für Elektronen als auch für Lithium-Ionen zugänglich sind.
Die Kohlenstoffröhrchen halfen auch, das Problem der Polysulfide zu lösen, die eine Zelle vorzeitig abtöten können. Die Kohlenstoffröhrchen fangen die Polysulfide effektiv ein, bis sie vollständig in Dilithiumsulfid umgewandelt sind, das die Batterie nicht vergiftet. Die Beschichtung des Kohlenstoffs mit einem Polymer, das eine Affinität zu Polysulfiden hat, trägt ebenfalls dazu bei, diese an Ort und Stelle zu halten. Es ist jedoch nicht klar, ob BASF auch eine nanostrukturierte Elektrode ausprobieren könnte, um die Materialien von Sion zu verbessern. Bisher habe Sion Power keine nanostrukturierten Materialien verwendet, sagt Kopera. Eine Herausforderung bei Nazars Ansatz besteht darin, dass es schwierig sein wird, die Kohlerohrelektroden in großen Stückzahlen herzustellen.
Einige Probleme bleiben wahrscheinlich. Zum einen können die Batterien teuer sein – Lithiummetall ist die teuerste Form von Lithium. Außerdem gibt es noch keine festen Daten darüber, wie viele Ladezyklen die Batterien durchlaufen können und wie sie auf Sicherheitstests reagieren. Dennoch, sagt Nazar, hat die Technologie sicherlich einen langen Weg zurückgelegt. Unsere Entwicklungen und die einiger anderer Unternehmen ermöglichen es sicherlich, viel näher an der Realität zu sein.