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Julia Moninger – Polypyrrol/Schwefel-dispersionsbeschichtete Schäume für den Einsatz als Kathoden in Lithium/Schwefel-Batterien

Im Bereich der wieder aufladbaren Batterien in mobilen Geräten sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren marktführend.[1] Allerdings sind die nach jetzigem Stand der Technik erreichbaren spezifischen Energien und Energiedichten im Hinblick auf die Leistungs-fähigkeit und die Betriebsdauer bzw. Reichweite von z. B. Smartphones bzw. Elektrofahrzeugen weiterhin verbesserungswürdig.

Aufgrund der hohen spezifischen Kapazität, der geringen Kosten und der Umweltfreundlichkeit von Schwefel gilt die Lithium/Schwefel-Technologie als designierter Nachfolger der Lithium/Ionen-Akkumulatoren.[2] Bei den Lithium/Schwefel-Akkumulatoren liegt als Anode elementares Lithium, und auf Kathodenseite Schwefel, eingebunden in eine geeignete Matrix, vor. Die Aktivmaterialien Lithium und Schwefel können bei diesem Konzept quantitativ miteinander zu Lithiumsulfid reagieren, wodurch eine erheblich höhere spezifische Kapazität und damit auch Energie resultiert.

Allerdings ist die Tatsache, dass es sich bei Schwefel um einen elektrischen Nichtleiter handelt einer der gewichtigsten Nachteile beim Einsatz dieses Stoffes als Kathodenaktivmaterial. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, ist es notwendig, den Schwefel in eine leitfähige Matrix einzubinden. Im heutigen Stand von Wissenschaft und Technik wird Schwefel als Kompositverbund auf die Kathodenstromsammlerfolie aufgebracht. Dieser Verbund besteht aus Schwefel, Kohlenstoff (Carbon Black) als Leitfähigkeitsadditiv, einem organischen, nichtleitenden Binder und einem nach der Applikation verdampfenden Löse- und Dispergiermittel. Diese Additive erhöhen jedoch als elektrochemisch inaktive Stoffe die Elektrodenmasse und verringern dadurch die spezifischen Zellkennwerte.

Am Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen FINO wurde zur Herstellung des hier vorgestellten Kathodenmaterialverbunds ein völlig neuer Ansatz verfolgt. Durch die Anpassung der elektrochemischen Polymerisation eines intrinsisch leitfähigen Polymers an den Einsatz in der Dispersionsabscheidung konnte ein neuartiger Elektrodenaufbau für die Lithium/Schwefel-Technologie realisiert werden. Erstmals ist es gelungen, über diesen Abscheideprozess Schwefel in eine Matrix aus Polypyrrol einzubetten, um diesen für die Anwendung als Kathodenaktivmaterial nutzbar zu machen.

Dadurch wurde ein bislang für metallische Matrices verfolgter Ansatz, der einen Verzicht auf Leitfähigkeits- und Binderadditive ermöglicht [3], auf deutlich leichtere und dadurch noch wettbewerbsfähigere Matrices aus intrinsisch leitfähigen Polymeren übertragen. Die Aktiv-materialien können gewichtssparend und mechanisch fest in einer freistehenden Polymer-folie angebunden werden. Darüber hinaus sind die flexiblen Struktureigenschaften der intrinsisch leitfähigen Polymere in der Lage, die durch die Volumenzu- und -abnahme auftretenden Spannungen während der Zyklisierung abzufangen und dadurch die Stabilität des Elektrodenverbunds zu erhöhen.[4]

Durch die Galvanoformung einer planaren Schwefel-Polypyrrol-Dispersionsschicht konnte bereits eine Schwefelbeladung von bis zu 67 Prozent erzielt werden. Durch Übergang hin zu einem porösen 3D-Stromsammler als Grundgerüst des Kathodenaufbaus konnte die elektro-chemische Schwefelausnutzung dieser Schichten erheblich gesteigert werden. Hierbei wird die abgeschiedene Polypyrrol/Schwefel-Dispersionsschicht nach der Abscheidung auf dem metallischen Schaumsubstrat belassen.

Durch die mit dieser Forschungsarbeit erzielten Gewichtseinsparung bei gleichzeitig hoher Schwefelbeladung und -ausnutzung leistet die vorliegende Arbeit aufgrund vieler neuer Ansätze einen wichtigen Beitrag zum Fortschritt in der Lithium/Schwefel-Technologie.

[1] A. Thielmann, A. Sauer, M. Wietschel, Gesamt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030, Fraunhofer ISI, Karlsruhe, 2015.
[2] A. Manthiram, Y. Fu, S.-H. Chung, C. Zu, Y.-S. Su, Chem. Rev. 2014, 114, 11751–11787.
[3] C. Erhardt, Ș. Sörgel, S. Meinhard , T. Sörgel, J. Power Sources 2015, 296, 70-77
[4] J. Yao, Z. Jia, P. Zhang, C. Shen, J. Wang, K.-F. Aguey-Zinsou, L. Wang, Ionics 2013, 19, 401–407.