Herstellung und Charakterisierung von Li-Schwefel-Kathoden durch in-situ XRD, Impedanzspektroskopie und AFM-Messungen

Abstract

Derzeit ist das wissenschaftliche und kommerzielle Interesse an der Entwicklung von Lithium-Schwefel Batterien sehr groß. Besondere Eigenschaften dieser Batte-rien sind, unter anderem, die hohe theoretische Energiedichte (2600 Wh/kg bzw. 2800 Wh/l) und Kapazität des Schwefels (1675 mAh/g), sowie das geringe Gewicht und die gute Verfügbarkeit von Schwefel als Ausgangsstoff für die Batterieherstel-lung. Um diese Werte auch in der Praxis zu erreichen, wird an der Optimierung der Nutzung des Aktivmaterials und der Zyklenstabilität intensiv geforscht. Die Stabilisierung der Kathodenstruktur wurde durch den Einsatz von verschiede-nen Kompositen, bestehend aus Schwefel und Multiwall Carbon Nanotubes (MWCNT) erreicht. Die so hergestellten Kathoden wurden zu einer Li-Schwefelbatterie (Swagelock-Zelle) zusammengebaut und anschließend zyklisiert. Für die Optimierung der Lithium Schwefel Batterie wurden auch elektrochemische Impedanzspektren (EIS) bei verschiedenen Ladezuständen während des Lade- und Entladevorganges aufgenommen und mit Hilfe eines geeigneten Ersatzschaltbildes ausgewertet. Zusätzlich zu den elektrochemischen Untersuchungen wurden zur Identifizierung der verschiedenen Materialkomponenten an Hand ihrer mechanischen und elektri-schen Eigenschaften auch moderne AFM-Verfahren eingesetzt. Um in-situ Röntgenbeugungsexperimente (XRD) Lithium-Schwefel Batterien durch-führen zu können, wurde eine geeignete Messzelle gebaut und damit konnte erfolg-reich Zwischenprodukte (Polysulfide) bei verschiedenen Ladezuständen bzw Po-tenzialen und Endprodukte (Li2S bzw. S) sowie strukturelle Änderungen während des Entlade- und Ladevorganges der Lithium-Schwefelbatterie erfolgreich nachge-wiesen werden.