Lithium-Schwefel-Batterien Könnten Billiger Und Energiereicher Sein

Der Verkauf neuer Elektrofahrzeuge ist sprunghaft angestiegen, aber es gibt Einschränkungen bei der Batterie- und Fahrzeugproduktion. Neue Elektrofahrzeuge haben Reichweiten von etwa 200-300 Meilen (322-483 km) oder so. Potenziell könnten Lithium-Schwefel-Batterien die Reichweite von Elektrofahrzeugen erheblich erweitern und weniger kosten, da Schwefel ein häufiger vorkommendes Material als Kobalt ist. Der Verkehr ist ein wichtiger Erzeuger von Treibhausgasen, daher werden viel mehr Elektrofahrzeuge benötigt. Lithium-Schwefel-Batterien könnten schließlich dazu beitragen, die Produktion und Einführung von Elektrofahrzeugen zu beschleunigen.

Forschungen an der Monash University in Australien führten zur Entwicklung einer sehr leistungsstarken und energieeffizienten Lithium-Schwefel-Batterie. In einem Artikel auf der Website der Universität wird erwähnt, dass die Technologie kurz vor der Kommerzialisierung steht und eine potenzielle Elektroauto-Reichweite von 1.000 km (621 Meilen) haben könnte.

Dr. Mahdokht Shaibani, Research Fellow in Mechanical & Aerospace Engineering an der Monash University, der auch eine führende Rolle bei dem Projekt innehatte, beantwortete einige Fragen zur Arbeit für CleanTechnica.

Wie ist es für den Laien möglich, dass Lithium-Schwefel, das in Batterien verwendet wird, bei einem bestimmten Gewicht die sechsfache Energie hat?

In einer Li-Ionen-Batterie pendeln Li+-Ionen zwischen dem Positivelektroden-Interkalationswirt (theoretische Kapazität bis zu 280 mAh g-1) hin und her, wo sie bei der Entladung gespeichert werden; und die negative Graphitelektrode, wo sie beim Laden bis zu einem maximalen Gehalt von Li0,16C gespeichert werden (Das Verhältnis 1 zu 6 bedeutet, dass die Kapazität nicht so groß ist – die theoretische Kapazität beträgt 370 mAh g-1). Die Zellspannungen liegen im Bereich von 3,4–3,8 V gegenüber Li/Li+. Theoretische Energiedichten liegen bei etwa 500 Wh Kg-1 auf Basis von Elektrodenmaterialien.

Der auf Redoxreaktionen basierende Speichermechanismus im Li-S-System unterscheidet sich grundlegend vom Interkalationsprozess einer Lithium-Ionen-Batterie. Die theoretische Kapazität von Schwefel (positive Elektrode) beträgt 1675 mAh g-1, dank der Bildung von Li2S, wenn sich Schwefel mit Lithium (negative Elektrode) verbindet. Das Verhältnis von 2 zu 1 überwindet die Hürde für viel Lithium und verspricht eine wunderbare Übereinstimmung mit der Lithiumanode mit ultrahoher Kapazität (3860 mAh g-1). Die theoretische Energiedichte des Li-S-Systems wird dann durch die theoretische Kapazität von Schwefel (1675 mAh g-1) und sein Potenzial von 2,15 V gegen Li/Li+ bestimmt und beträgt etwa 2.500 Wh kg–1.

Obwohl Lithium-Schwefel im Vergleich zu Lithium-Ionen eine bis zu fünffache Steigerung der gravimetrischen Energiedichte bietet, können Sie aus praktischer Sicht und angesichts des Durchbruchs unserer Forschungsgruppe und der Fortschritte anderer Forschungseinrichtungen und Unternehmen erwarten bei der Markteinführung etwa eine Verdoppelung der Akkupack-Ebene zu verzeichnen.

Wie verhindert Ihr neues Design den Ausfall von Lithium-Schwefel-Batterien?

Ironischerweise bestand eine der größten Herausforderungen für die Masseneinführung von Lithium-Schwefel-Batterien bisher darin, dass die Speicherkapazität der Schwefelelektrode so groß ist, dass sie die resultierende Belastung nicht bewältigen kann. Stattdessen bricht es auseinander, genauso wie wir es unter Stress tun könnten. Der fortschreitende Bruch führt zu einer zerstörten elektrischen Verdrahtung über der Elektrode und einem schnellen Abfall der überlegenen Energieleistung.

Das neue Design basiert auf einem traditionellen Bindemittel, das jedoch auf andere Weise verarbeitet wird, um ultrastarke Brückenbindungen zwischen der Kohlenstoffmatrix und den Schwefelpartikeln zu bilden, die zusätzlichen Platz bieten, wenn sich die Batterie während des Ladevorgangs ausdehnt. In einfachen Worten, ich habe den Schwefelpartikeln etwas Luft zum Atmen gegeben, während sie unter der harten Belastung des Radfahrens stehen!

Wenn Sie in 2-4 Jahren Lithium-Schwefel-Batterien für den kommerziellen Einsatz zur Verfügung haben, wären das dann sehr kleine Batterien für die Elektronik oder könnten es Batterien für Elektrofahrzeuge sein?

Aufgrund der prognostizierten niedrigeren Kosten ist es unsere Priorität, unsere Batterien in Großanwendungen, Elektrofahrzeugen und Netzen zu testen. Wichtig ist, dass wir radikal neue und saubere Energiespeichertechnologien brauchen, um den Klimawandel in Australien zu bekämpfen, wo ein anhaltender Klimawandel drastische Auswirkungen nicht nur auf die Ökosysteme, sondern auch auf das Leben der Menschen haben könnte, und wir glauben, dass das Li-S-System eine potenziell vielversprechende Lösung ist.

Heutzutage haben neue Elektrofahrzeuge Reichweiten von 200 bis 300 Meilen, könnten Lithium-Schwefel-Batterien vielleicht noch mindestens 100 bis 300 Meilen Reichweite pro Ladung hinzufügen?

Derzeit kann die volumetrische Energiedichte (Wh L-1) des Li-S-Systems bestenfalls mit der von Li-Ionen-Batterien konkurrieren, jedoch besteht aufgrund der höheren gravimetrischen Energiedichte dieses Systems und vor allem der prognostizierten niedrigeren Kosten der Batterie – beides kann die Laufleistung von Elektrofahrzeugen beeinflussen. Erstens würden leichtere Batterien zu einer höheren EV-Reichweite führen; Zweitens bedeutet eine kostengünstige, leichtere Batterie, dass die Hersteller von Elektrofahrzeugen neue Konzepte erkunden können, bei denen sie dem Batteriepaket mehr Platz im Auto zuweisen können, ohne Bedenken hinsichtlich Kosten und Gewicht zu haben! Heutige Batterien machen einen erheblichen Teil der gesamten EV-Kosten (33 % bis 57 % je nach Auto) und des EV-Gewichts (ca. 20 % bis 25 %) aus, und die Verwendung von mehr Batterien im Auto macht nicht viel Sinn. weise und gewichtsmäßig.

Die kostengünstige und leichte Li-S-Batterie könnte diese Hürde nehmen, sofern die Hersteller an neuen Autokonzepten interessiert sind und die Batterieforscher die Lebensdauer einer Li-S-Batterie auf das erforderliche EV-Niveau erhöhen könnten. Aus meiner Sicht ist die zweite sehr wahrscheinlich.

Wenn Ihre Lithium-Schwefel-Technologie kommerzialisiert wird, würden Sie verschiedene Patente dafür besitzen und die Patente an Unternehmen lizenzieren, die ihre eigenen Batterien herstellen?

Dies war Gegenstand interner Diskussionen und wir müssen noch über unsere nächsten Schritte entscheiden.

Da Schwefel ein reichlich vorhandenes Material ist, könnten EV-Batterien billiger hergestellt werden und eine höhere Energiedichte aufweisen, wenn Ihre Technologie die kommerziellen Märkte erreicht?

Ich hoffe, ich habe diese Frage bereits beantwortet, kurze Antwort ist ja.

Hätte eine Lithium-Schwefel-Batterie ungefähr die gleiche Lebensdauer wie eine aktuelle Lithium-Ionen-Elektrobatterie oder ist es noch zu früh, um das zu sagen?

Nicht im Moment. Die Erhöhung der Lebensdauer einer Li-S-Batterie ist die größte Herausforderung dieser vielversprechenden Batterietechnologie und ein ähnlicher Durchbruch bei der Stabilisierung der Li-Metallanode ist erforderlich, um die für viele Anwendungen geeignete Zykluszahl von 500 zu erreichen. Dies war der Fokus mehrerer Forschungs- und F&E-Gruppen wie dem Fraunhofer IWS in Deutschland unter der Leitung von Dr. Holger Althues.

Bemerkenswert ist, dass die Forschung an der Anode im Gegensatz zur Kathode noch nicht so ausgereift ist. Es gibt viel zu erkunden und in naher Zukunft werden erhebliche Fortschritte erwartet.

Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, können nach ihrer Funktion in Elektrofahrzeugen für andere Zwecke wie stationäre Energiespeicher verwendet werden. Wäre das möglicherweise auch für Lithium-Schwefel-Batterien möglich oder ist es noch zu früh, um das zu sagen?

Ich halte es für sehr wahrscheinlich, den erschöpften Li-S-Akku für den Einsatz in Netzen wiederzuverwenden.