Li2S Kathoden der nächsten Generation

Kurzfassung

Um die steigende Nachfrage nach sicheren, kostengünstigen und leistungsfähigen Energiespeichern für z. B. die Elektromobilität und tragbaren Consumer Geräten zu decken, müssen neue Lösungen gefunden werden, um die Bedürfnisse der einzelnen Bereiche zu erfüllen. Dabei sind Lithium-Schwefel Batterien wegen der hohen theoretischen Energiedichte von bis zu 500 Wh kg-1, was ca. dem doppelten von aktuellen Lithium-Ionen Zellen entspricht, eine vielversprechende Alternative. Weltweit gibt es hohe Vorkommen von Schwefel was ihn zu einem kostengünsitgen Werkstoff macht. Die atoxische Eigenschaft von Schwefel ist ein weitere Vorteile des Lithium-Schwefel Systems. Bei der Verwendung von Li2S als Kathodenmaterial kann theoretisch gänzlich auf metallisches Lithium verzichtet werden, wodurch die Sicherheit des Systems gesteigert wird. Aktuelle Lithium-Schwefel Systeme besitzen bereits höhere Energiedichten als Lithium-Ionen Batterien. Dennoch sind Verbesserungen nötig, um die noch geringe Zyklenstabilität zu erhöhen und damit ein breiteres Einsatzgebiet für Li-S Batterien zu ermöglichen. In dieser Arbeit wurden Li2S Kathoden hergestellt und dabei die Einflussparameter auf die Entladekapazität untersucht. Es wurden unterschiedliche Herstellungsverfahren mit verschiedenen Geräten zur Pastenelektrodenherstellung eingesetzt und die Auswirkungen auf die Kapazität untersucht. Zusätzlich wurden lösungsmittelfreie Elektroden mit einer Presse hergestellt und charakterisiert. Bei den Materialien wurden verschiedenen Elektrodenbinder, Kohlenstoffe und Kohlenstoffadditive, sowie Elektrolytaddivite eingesetzt und deren Auswirkung auf die Aktivmassenausnutzung analysiert. Die Elektroden wurden in Messzellen gegen eine Lithium Anode verbaut und elektrochemisch analysiert. Das Ziel der Arbeit war es, die verschiedene Einflussparamter auf die Kapazität von Li2S Zellen zu definieren. Es sollten dabei nicht nur hohe theoretische Kapazitäten erreicht werden, sondern auch möglichst hohe Kapazitäten mit praxisrelevanten Elektrodeneigenschaften erzielt werden. Die Elektroden sollten eine hohe Li2S Beladung und einen hohen Li2SMassenanteil besitzen.