„Radikales“ Material verlängert Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Akkus
In Lithium-Schwefel-Akkus werden große Zukunftshoffnungen gesetzt. Hier kommen die 2 Elemente mit der höchsten bekannten Energiedichte zum Einsatz: eine schwefelreiche Kathode und eine Lithium-Metall-Anode. Eines der größten Probleme war bisher, dass ihre Lebensdauer begrenzt ist und sie bereits nach wenigen Ladezyklen deutlich an Kapazität verlieren.
Deutsche Forscher konnten die Stabilität dieser Batterieart nun erheblich verbessern. Dazu nutzen sie an der Schwefel-Kathode ein besonderes organisches Porengerüst, vergleichbar mit einem Schwamm. Das fängt Problemstoffe ein und macht sie unschädlich. Solche nennt man auch radikal-kationische kovalente organische Gerüstverbindungen oder COFs.
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Macht Schadstoffe unschädlich
In diesen maximal mikrometergroßen Löchern laufen bestimmte chemische Reaktionen schneller ab. Sogenannte Polysulfide sorgen gewöhnlich für einen schnelleren Verschleiß der Kathode, wenn sie darin umherwandern. Der „Schwamm“ fängt sie aber ein. Dann reagieren sie dort an der Oberfläche und werden wieder zu elementarem Schwefel umgewandelt. Zwar gab es mit COF-Gerüsten schon vorher Versuche, die dieselbe „Schwamm“-Idee verfolgt haben. Die sind aber gescheitert.
Ihren Durchbruch erzielten die Forscher des Helmholtz-Zentrums und der TU Berlin nun durch die Einbindung bestimmter Moleküle namens Radikale. Sie beschleunigen den Abbau der Polysulfide.
In den Poren des organischen Gerüsts werden Polysulfide fest eingeschlossen. Dadurch können sie nicht mehr in Batterie gelangen und deren Lebensdauer verkürzen.
© Sijia Cao / HZB
Dadurch wird die Funktionsfähigkeit der Kathode und die Leitfähigkeit erheblich verbessert: Während Lithium-Schwefel-Akkus bisher bereits nach weniger als 1.000 Ladezyklen schlappmachten, können sie damit jetzt über 1.500 Ladezyklen erreichen.
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Weder Batterien mit COF-Materialien noch mit anderen rein organischen Katalysatoren hielten bisher so lange. „Die Integration solcher radikalischer Gerüststrukturen in Lithium-Schwefel-Batterien zeigt großes Potenzial“, sagt der Forscher Yan Lu in einer Aussendung des deutschen Helmholtz-Zentrums. Außerdem gebe es weitere Möglichkeiten, wie man den Batterietyp weiter verbessern könnte.