Untersuchung der Kathodenmatrix im Lithium-Schwefel-System

Abstract

Lithium-Schwefel-Batterien verfügen über eine hohe theoretische Kapazität von 1672 Ah/kg. Der Schwefel ist in großen Mengen verfügbar, preisgünstig, umweltverträglich und ungiftig. Die realisierte Zyklenstabilität von Lithium-Schwefel-Batterien ist jedoch bislang gering. Die Zyklenstabilität wird durch die Löslichkeit der Polysulfide und dem daraus resultierenden Kapazitätsverlust beeinflusst. Die Polysulfide entstehen beim Entladen der Batterie. In dieser Arbeit wurde der für die Kathodenherstellung verwendete Leitruß mit unterschiedlich langer Dispergierdauer präpariert und die spezifische Leitfähigkeit und das rheologische Verhalten charakterisiert. Die so hergestellten Rußstammpasten wurden in Ruß/Schwefel-Kathoden eingesetzt und in Lithium-Schwefel-Zellen getestet. Die geringste Viskosität besaß die am längsten dispergierte Rußstammpaste. Zusätzlich wies diese Rußstammpaste, die höchste spezifische Leitfähigkeit von 2,1 mS/cm auf. Die nicht dispergierte Rußstammpaste hatte eine spezifische Leitfähigkeit von 1,5 mS/cm und die 60 min dispergierte Rußstammpaste hatte eine spezifische Leitfähigkeit von 1,7 mS/cm. Des Weiteren wurde dem Lithium-Schwefel-System Aluminiumoxid mit positiver Oberflächenladung hinzugefügt, um den Kapazitätsverlust zu minimieren. Mit den in dieser Arbeit hergestellten Lithium-Schwefel-Systemen konnte durch Einbringen von hydrophobem Aluminiumoxid ein Kapazitätserhalt, in den ersten 100 Zyklen, von 85% auf 92% erreicht werden. Bei einer Stromrate von 1C ergab sich bei Verwendung von Aluminiumoxid im Lithium-Schwefel-System eine Kapazität von 920 Ah/kg nach 100 Zyklen. Die Anfangskapazität lag bei den Proben ohne Aluminiumoxid und auch bei der Probe mit Aluminiumoxid im Bereich von 1000 Ah/kg. Lithium-sulfur-batteries have a large theoretical capacity of 1672 Ah/kg. Sulfur is available in large quantities, inexpensive, environmentally friendly and nontoxic. However, the realized cycle stability is still low. The cycle stability is influenced by the solubility of the polysulfides and the resulting loss of capacity. The polysulfides are created when the battery is discharged. In this study, carbon black paste where produced by varying the time of dispersion. They were characterized in terms of their specific conductivity and rheological behavior. The produced carbon black paste where used in sulfur-cathodes and tested in lithium-sulfur-cells. The longest dispersed carbon black paste had the lowest viscosity and the non-dispersed carbon black paste had the highest viscosity. In addition, the carbon black paste dispersed for 20 min had the highest specific conductivity of 2.1 mS/cm. The non-dispersed carbon black paste had a specific conductivity of 1.5 mS/cm and the carbon black paste dispersed for 60 min had a specific conductivity of 1.7 mS/cm. Furthermore, alumina oxide with a positive surface was added to the lithium-sulfur-system to minimize the loss of capacity. With the lithium-sulfur-system, produced in this study, a capacity could be achieved by introducing hydrophobic alumina oxide in the first 100 cycles from 85% to 92%. At a current rate of 1C, when using a hydrophobic alumina oxide in the lithium-sulfur-system, a capacity of 920 Ah/kg was obtained after 100 cycles. The initial capacity was in the case of the samples without alumina oxide as well as the samples with alumina oxide in the range of 1000 Ah/kg.