Untersuchung von intrinsischen Prozessen in Magnesium-Schwefel Batterien anhand elektrochemischer Impedanzspektroskopie

Kurzfassung

Die Kombination einer Magnesiumelektrode mit einer schwefelbasierten Elektrode ist ein vielversprechendes Batteriesystem, um die Herausforderung eines immer größer werdenden Energiebedarfs sowie der Energiespeicherung zu meistern. Vorteile sind unter anderem die hohe theoretische Energiedichte, ein hohes Magnesium-Vorkommen in der Erdkruste, die geringen Kosten von Schwefel und der sichere Betrieb dieser Materialkombination. Allerdings befindet sich das Batteriesystem noch im anfänglichen Forschungsstadium und weist noch eine schlechte Zyklenstabilität und schnelle Degradation auf. Für ein detaillierteres Verständnis des Funktionsprinzips werden in dieser Arbeit die intrinsischen Reaktionsprozesse einer Mg-S-Batterie untersucht. Des Weiteren ist die Identifikation der Verlustprozesse in einer Mg-S-Zelle von großem Interesse, da diese potentiell zu Überspannungen, einer schlechten Zyklenstabilität und beschränkten Leistungsfähigkeit führen. Dabei liegt der Fokus dieser Arbeit auf dem ersten Entladezyklus. Als Methode zur Untersuchung verschiedener Mg-S Zellkonfigurationen (Vollzellen und symmetrische Zellen) wird die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) genutzt, wobei vor der Entwicklung eines gültigen Ersatzschaltbildes die Distribution of Relaxation Times (DRT) Analyse angewandt wird, um die Prozesse in einer Mg-S-Zelle zu quantifizieren. Daraus wird zunächst ein elektrisches Ersatzschaltbild für jede symmetrische Zelle abgeleitet und abschließend auf Grundlage der DRT Analyse und der symmetrischen Zellen ein Ersatzschaltbild für die Mg-S-Vollzelle entwickelt. Dieses stellt einen Widerstand und vier in Reihe geschaltete R-CPE-Glieder dar. In Anlehnung an die aktuellen Forschungsergebnisse und die Nyquist- bzw. Bode-Verläufe wird jedem R-CPE-Glied im Ersatzschaltbild ein Prozess zugeordnet, der mit dem entwickelten Modell in Abhängigkeit des SOC-Zustandes und der Temperatur näher untersucht wird. Die Widerstandsverläufe für beide Ladungsübergänge, die Reaktions- und Diffusionsprozesse zeigen dabei zum Teil starke SOC- und Temperaturabhängigkeiten. Darüber hinaus sind die veränderten charakteristischen Entladekennlinien für T größer 25 °C auch in den Widerstandsverläufen zu erkennen. Im Anschluss an die Entladeuntersuchungen wird das entwickelte Ersatzschaltbild auf den ersten Ladezyklus angewendet und ein Vergleich des Entlade- und Ladezyklus angestellt. Abschließend wird ein Ausblick auf die Langzeitstabilität und die Kapazitätsverluste über mehrere Zyklen gegeben und in Bezug zum ersten Entladezyklus gesetzt. Dabei lässt sich erkennen, dass der erste Zyklus einen Formierungszyklus darstellt.