Zwei gegensätzliche Ansätze könnten Lithium-Schwefel-Batterien vereinigen Vorteil gegensätzlich Lithium-Ionen verschaffen

Lithium-Schwefel-Batterien versprechen seit dieser Zeit einiger Zeit die Nachfolge von Lithium-Ionen-Batterien, da sie zumindest im Prinzip eine fantastische Kondensator eröffnen – die Menge an elektrischer Ladung, die eine Batterie für einer bestimmten Tonus liefern kann. Doch bisher nach sich ziehen sie in jener Realität ihr Versprechen keineswegs eingelöst. Zwei gegensätzliche Ansätze, die beiderlei darauf abzielen, dasjenige benötigte Elektrolytvolumen zu reduzieren, eröffnen notfalls vereinigen Weg zur Störungsbehebung des Problems. Ein neues Übersichtspapier vergleicht die beiden Optionen und betrachtet die Anwendungen, zu Händen die sie am günstigsten probat sind.

Lithium-Ionen-Batterien nach sich ziehen in den letzten Jahrzehnten die tragbare Elektronik revolutioniert, die Markteinführung von Elektrofahrzeugen unterstützt und die Erfindung von Smart Grids ermöglicht.

Im Unterschied dazu zu Händen viele Anwendungen, nicht zuletzt diejenigen, die die Dekarbonisierung unserer Wirtschaft unterstützen, werden weitere Fortschritte in jener Batterietechnologie unumgänglich sein. Eine große Hindernis zu Händen die Elektrifizierung des Schwerverkehrs (z. B. Fernverkehr, Wasserverkehr und Luftfahrt) ist bspw. die Größe und Neutralleiter jener Batterie: Ab einem bestimmten Zähler bewegt sich dasjenige Fahrzeug simpel sehr weithin, sehr schwere Batterie.

Aufgebraucht zukünftigen Fortschritte werden von dort davon herumlungern, eine höhere Energiedichte (Energiemenge pro Volumeneinheit) zu glücken, um Hantel und Volumen zu reduzieren, sowie eine längere Nutzungsdauer, um die Nachhaltigkeit zu verbessern.

Leider nähert sich die Wirksamkeit von Lithium-Ionen-Batterien in dieser Richtung schnell ihrem theoretischen Limit.

Lithium-Schwefel-Batterien wurden in den letzten Jahren wie vielversprechender Nachfolger von Lithium-Ionen untersucht, da ihre theoretische Kondensator – die Menge an elektrischer Ladung, die eine Batterie für einer gegebenen Tonus liefern kann – wesentlich höher ist. Lithium-Schwefel (Lithium-Schwefel)-Batterien würden untergeordnet vom niedrigen Schwefelpreis sowie von jener großen 7-Sep des Elements hinauf jener Muttererde und seiner relativen Umweltfreundlichkeit profitieren.

Im Unterschied dazu es gab eine Lücke zwischen jener Theorie und jener realen Welt. In jener Realität hat es sich wie sehr schwierig erwiesen, die große theoretische Kondensator von Schwefel voll auszunutzen. Die tatsächliche Energiedichte jener bisher entwickelten Lithium-Schwefel-Batterien liegt weit unter den erwarteten Werten.

Einer jener Hauptfaktoren, jener zur Riss zwischen Theorie und Realität beiträgt, ist die Notwendigkeit eines großen Elektrolytvolumens (welches die Rohrfernleitung von Ionen in einer Batterie ermöglicht). Die beteiligte elektrochemische Reaktion erfordert eine große Menge an Elektrolyt, um Polysulfid-Zwischenprodukte (Ketten von Schwefelatomen, die eine vermittelnde Rolle in jener Reaktion spielen) vollwertig zu solubilisieren, um die Reaktionskinetik zu beschleunigen.

Selbst für teilweise niedrigeren Elektrolyt-zu-Schwefel-Verhältnissen, die im Laboratorium erreicht wurden, zeugen Elektrolyte immer noch weitestgehend die Hälfte des Gewichts jener gesamten Batteriezelle aus, während Elektrolyte in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien nur etwa ein Fünftel des Gewichts entfallen .

„Wenn jener Nachfolger eine schlechtere Energiedichte wie sein Vorgänger hat, dann ist er kein großer Nachfolger“, sagte Yanguang Lithium, Elektrokatalyse-Spezialist an jener Soochow-Universität und Mitautor des Übersichtsartikels.

Während es zu Händen Lithium-Schwefel-Batterien eine Herausforderung bleibt, unter Bedingungen mit „magerem Elektrolyt“ für Verwendung herkömmlicher Elektrolyte hinauf Etherbasis eine gute Leistung zu erzielen, gibt es zwei aufkommende Elektrolytsysteme, die vielversprechend sind. Dasjenige Übersichtspapier betrachtet die beiden konkurrierenden Optionen – stark solvatisierende Elektrolyte (HSEs) und sparsam solvatisierende Elektrolyte (SSEs).

Solvatation beschreibt die Wechselwirkung zwischen einem gelösten Substanz (dem gelösten Substanz) und dem Solvens (dem Substanz, in dem jener gelöste Substanz gelöst wird), welches zu einer Stabilisierung des gelösten Stoffs in jener Störungsbehebung führt. Die Moleküle des Lösungsmittels und des gelösten Stoffes werden zu neuen Struktur-Solvatationskomplexen reorganisiert. Somit sind die HSEs diejenigen, die eine starke Solvatationsfähigkeit gegensätzlich Polysulfid-Zwischenprodukten nach sich ziehen, während jener SSE-Prozedere kleine Menge von ihnen solvatisiert.

Dieser HSE-Prozedere beinhaltet die Verwendung von Elektrolytlösungsmitteln mit hoher Donizität und Permittivität, wie bspw. Dimethylsulfoxid (DMSO), Stickstoff,Stickstoff-Dimethylacetamid (DMA) und 1-Methylimidazol (MeIm). Sie nach sich ziehen die Rahmenbedingung, die Granularität von Polysulfid-Zwischenprodukten zu fördern.

SSEs verfolgen den gegenteiligen Prozedere, die Granularität von Polysulfid-Zwischenprodukten zu hemmen, während sie Elektrolyte verwenden, die sich kaum lockern (von dort jener Name), wie ionische Flüssigkeiten, Fluorwasserstoffether und hochkonzentrierte Elektrolyte.

Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass es derzeit unklar bleibt, welches Elektrolytsystem, HSEs oder SSEs, zu Händen praktische Lithium-Schwefel-Batterien mit magerem Elektrolyt besser ist, da jedes System seine Vor- und Nachteile hat.

Sie vertrauen, dass Batterieforscher stattdessen wiedererkennen sollten, dass die beiden Ansätze zu Händen unterschiedliche Anwendungen optimal sind. Sie vertrauen, dass HSEs ein größeres Potenzial zu Händen den Hinterlegung in Lithium-Schwefel-Batterien zu Händen Anwendungen nach sich ziehen, die vereinigen hohen Leistungs- und Energieverbrauch erfordern, wie z. B. unbemannte Drohnen und Schwertransporte, während SSEs vielversprechender zu Händen Lithium-Schwefel-Batterieanwendungen wären, die heftige Menstruationsblutung Lebenszyklen erfordern wie Mikroelektronik.

Taktgesteuert wünschen die Forscher in ihrer eigenen Arbeit, die praktische Leistung sowohl von HSEs wie untergeordnet von SSEs in Magerelektrolyt-Lithium-Schwefel-Batterien zu optimieren. Zu diesem Zweck können größere Anstrengungen unternommen werden, um HSEs oder SSEs mit fortschrittlicheren Schwefelkathoden und Lithiumanoden zu integrieren. Letztendlich wünschen die Forscher, Lithium-Schwefel-Batterien mit einer hohen Energiedichte von oberhalb 500 Wattstunden pro Kilogramm und einer langen Nutzungsdauer von oberhalb 1000 Zyklen zu Preis von unter 100 US-Dollar pro kWh herzustellen.

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Forschungsbericht: Gen dem Weg zu praktischen Lithium-Schwefel-Batterien mit magerem Elektrolyt: Hochdruckgebiet solvatisierende Elektrolyte oder wenig solvatisierende Elektrolyte?

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