Eigenschaften des Lade- und Entladezyklus von Lithium-Schwefel-Batterien

Das Japan Industrial Technology Research Institute (als Forschungsinstitut für Industrie und Technologie bezeichnet) gab am 28. Juni 2016 bekannt, dass es gemeinsam mit der Universität Tsukuba eine Lithium-Schwefel-Batterie entwickelt hat. Durch die Verwendung eines metallorganischen Gerüsts als Batterietrenner wird ein langzeitstabiler Lade- und Entladezyklus charakteristisch realisiert. Berichten zufolge kann die Lithium-Schwefel-Batterie nach 1500 Testzyklen bei einer Stromdichte von 1 C (Stromwert am Ende der Entladung nach 1 Stunde Entladung mit konstantem Strom) immer noch eine Ladekapazität von bis zu 900 mAh / g aufrechterhalten.

Eine Lithium-Schwefel-Batterie, die Schwefel als positive Elektrode einer lithium-batterie verwendet, hat eine hohe positive Elektrodenkapazität (theoretischer Wert ist 1675 mAh / g) und wird als Batterie der neuen Generation erwartet. Das Problem bei diesem Batterietyp besteht jedoch darin, dass das Lithiumsulfid, das Zwischenprodukt der Entladungsreaktion, leicht im Elektrolyten gelöst wird. Daher initiieren die gelösten Polysulfidionen im Verlauf des Lade- und Entladezyklus eine Oxidation zwischen der positiven und der negativen Elektrode. Die wiederholt auftretende Reduktionsreaktion (Shuttle-Effekt) führt zu einer Verschlechterung der Batteriekapazität.

Diesmal ergriffen die Forscher keine Maßnahmen, um die Auflösung von Polysulfiden zu verhindern, sondern verwendeten stattdessen das "Molekularsieb", ein metallorganisches Gerüst, das häufig zur Adsorption und Trennung von Gasmolekülen verwendet wurde, um die Bewegung von Polysulfiden zu begrenzen die negative Elektrode. Das organische Metallgerüst hat dreidimensionale Mikroporen von Subnanometern bis zu mehreren Nanometern und ist in der Größe festgelegt.

Das Membranmaterial wird aus einem metallorganischen Gerüst ausgewählt, in dem die Porengröße so ist, dass die Polysulfidionen hindurchtreten können, die Lithiumionen jedoch passieren können. Und durch Einmischen in die Graphenoxidschicht wurde ein flexibler organischer Gerüstmetall-Gerüstfilm synthetisiert. Da es sich um einen Kristall handelt, hat das organische Metallgerüst den Nachteil, dass es leicht gebrochen werden kann.

Die Forscher fanden heraus, dass bei Verwendung der organischen Skelettmetall-Skelettmembran als Lithium-Schwefel-Gelb-Batterietrenner der als Problem angesehene Shuttle-Effekt unterdrückt werden kann und die Verringerung der Lade- und Entladekapazität sowie die Zykluseigenschaften verhindert werden können gesenkt. Nach Wiederholung von 1500 Lade- und Entladezyklen bei Raumtemperatur in Bezug auf Entladekapazität und Coulomb-Effizienz, zusätzlich zu etwa 100 Lade- und Entladezyklen, die zur Durchführung der anfänglichen Aktivierung durchgeführt wurden, verschlechterte sich die Entladekapazität von 100 bis 1500 Mal kaum, was zeigt, dass gute Zykluseigenschaften .

Das zukünftige Ziel des Forschungsinstituts ist die Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien mit hervorragender Leistung mit dem Ziel der praktischen Anwendung. Die Forschungsergebnisse wurden am 27. Juni (britische Zeit) online in der britischen Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

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