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Operando-Charakterisierung von Alterungsmechanismen in Lithium-Schwefel-Batterien

03.05.2021

Abbildung: Operando-Messzelle zur röntgenspektrometrischen Untersuchung an Lithium-Schwefel-Batterien für die Kathoden- (links) und Anodenseite (rechts)

Leistungsfähigen Batterien kommt eine Schlüsselrolle im Rahmen der Energiewende zu, z. B. als stationäre Zwischenspeicher für Energie aus erneuerbaren Energiequellen oder in Elektroautos zur Verdrängung fossiler Energieträger. Auch neuartige Batterietypen mit gesteigerter Energiedichte und Lebensdauer unterliegen Alterungsprozessen, die zum unerwünschten Rückgang der Kapazität führen, und deren Verständnis essentiell zur Weiterentwicklung der Speicherzellentechnologie ist.

In der PTB wurde ein Verfahren zur Analyse der Konversions- und Transportprozesse von Polysulfiden in Lithium-Schwefel-Batterien während der Lade- und Entladevorgänge entwickelt. Durch Nahkanten-Absorptionsfeinstruktur-Analyse (NEXAFS) und referenzprobenfreier Quantifizierung mit Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) mit Synchrotronstrahlung am BESSY II wurden für drei vollständige Lade-Entladezyklen erstmalig die Schwefelspezies in den Polysulfiden, als auch deren absolute Menge im Elektrolyten bestimmt. Damit konnte der prozentuale Verlust des kathodischen Aktivmaterials Schwefel für verschiedene Ladezustände angegeben werden. Weiterhin konnte die Veränderung der Moleküllänge der Polysulfide bestimmt werden, die sowohl Löslichkeit als auch Reaktivität maßgeblich beeinflusst. Durch die Untersuchung an beiden Elektrodenseiten konnte der Shuttle-Effekt, d.h. die Bewegung der Polysulfide zwischen den Elektroden, und insbesondere die Akkumulation an der Anode für fortschreitende Zyklenzahl beobachtet werden. Diese zeitaufgelösten Messungen im laufenden Betrieb der Zelle (operando) ermöglichen eine Zuordnung von Veränderungen auf atomarer Ebene zu verschiedenen Ladezuständen.

Die Messungen ergaben, dass nicht primär die Bildung der Polysulfide, sondern ihre Bewegung und Ablagerung an der negativen Elektrode für den Rückgang der Zellkapazität verantwortlich ist. Dies führt zu neuen Strategien im Zelldesign, zum Beispiel den Einsatz von polysulfid-undurchlässigen Separatoren.

 

 

Publikation: Journal of Materials Chemistry A, Opens external link in new windowD0TA12011A

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