Hochporöse Kohlenstoff-Aerogele als Leitermatrix für Lithium-Schwefel-Batterien

Abstract

Um die auf dem Weltklimagipfel definierten Emissionsreduktionsziele zu erreichen ist es erforderlich die bestehenden Energiespeicher weiterzuentwickeln. Insbesondere im Zusammenhang mit mobilen bzw. portablen Anwendungen kommt den elektrochemischen Energiespeichern eine immer größere Bedeutung zu. Während die Optimierung der inzwischen weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterie an ihre physikalischen Grenzen stößt, wird weltweit nach einer Nachfolgetechnologie geforscht. Eine der vielversprechendsten Technologien ist die Lithium-Schwefel-Batterie, für welche insbesondere deren theoretische Kapazität aber auch ökologische und ökonomische Aspekte sprechen. In der aktuellen Forschung unterliegen diese Batterien einem ausgeprägten Degradationsmechanismus der zu einer geringen Zyklenstabilität und einer hohen Selbstentladung führt. Um dieses Problem zu adressieren werden im Rahmen dieser Arbeit Kohlenstoff-Aerogele als alternative Leitermatrix für den Schwefel vorgeschlagen. Es wird untersucht, inwiefern Aerogele geeignet sind den für die Degradation verantwortlichen Polysulfid-Shuttle innerhalb der Batteriezelle zu unterdrücken. Dafür wird ausführlich auf die Herstellung von Kohlenstoff-Schwefel-Kathoden eingegangen. Im Fokus steht dabei die Bindung bzw. die Immobilisierung der Schwefelatome in der Kohlenstoff-Leitermatrix. Für die Evaluierung werden Batteriezellen auf Basis dieser Kathoden hergestellt und in einem Batterietester zykliert. Weitere Analysemethoden kommen zum Einsatz um das elektrochemische Verhalten der Zellen zu charakterisieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Eigenschaften von Kohlenstoff-Aerogelen dafür genutzt werden können, den Polysulfid-Shuttle weitgehend zu unterdrücken. Im Vergleich mit einem gängigen Kohlenstoff wird deutlich, dass in der Folge sowohl die Zyklenstabilität verbessert, als auch eine höhere Kapazität sowie Coulomb’sche Effizienz erzielt werden konnte. Gleichzeitig eröffnet die erfolgreiche Bindung des Schwefels an die Kohlenstoff-Aerogel-Leitermatrix weitere Möglichkeiten im Bereich der einsetzbaren Elektrolyte. So kann gezeigt werden, dass mit Hilfe der Aerogele einige herkömmliche Elektrolyte aus der Lithium-Ionen-Batterie verwendet werden können.