Lithium‐Schwefel‐Batterien mit Magerelektrolyt: Herausforderungen und Perspektiven

Abstract

Energiespeicher finden als wichtige Transformationstechnologie zur kohlenstoffarmen Wirtschaft und nachhaltigen Energieversorgung große Beachtung. Außerordentlich vielversprechend ist hierbei die Lithium‐Schwefel‐Batterie aufgrund ihrer hohen theoretischen Energiedichte. Trotz immenser Fortschritte in den vergangenen Jahren liegt ihre tatsächliche Energiedichte jedoch noch weit unterhalb einer Praxistauglichkeit. Da die Elektrochemie des Schwefels stark von einer Fest/flüssig/fest‐Phasenumwandlung abhängt, spielt die Menge des Elektrolyten für die praktisch erreichbare Leistungsfähigkeit von Li‐S‐Zellen eine wesentliche Rolle. Um den Vorteil der hohen Energiedichte nutzen zu können, muss die Li‐S‐Batterie ein möglichst kleines Elektrolytvolumen mit niedrigem Elektrolyt/Schwefel‐Verhältnis aufweisen. Unter solchen Bedingungen lässt sich eine akzeptable elektrochemische Leistung in Kinetik, Entladekapazität, Coulomb‐Wirkungsgrad und Zyklenfestigkeit jedoch nur sehr schwer erreichen, insbesondere wenn die Kathode einen hohen Schwefelgehalt aufweisen soll. In diesem Aufsatz wird dargestellt, welchen Einfluss das Elektrolyt/Schwefel‐Verhältnis auf die erreichbare Energiedichte und Kosten von Li‐S‐Batterien hat. Für beide elektrochemische Prozesse des Schwefels, Löse‐Abscheide‐ und Festphasenumwandlung, werden Herausforderungen und neueste Entwicklungen beschrieben. Abschließend werden Perspektiven in der Entwicklung von zukünftigen Li‐S‐Magerelektrolyt‐Batterien vorgestellt.

Lithium-Sulfur Batteries: Attaining the Critical Metrics

“…Although researchers are beginning to recognize the significance of this metric, a large portion of Li-S research output still continues to use E/S ratios >20 mL mg À1 or simply neglects to report E/S ratio altogether. 1,[4][5][6] This fails to meet the standards of what is needed in order to realistically evaluate the improvements being reported. Therefore, to fairly gauge the improvements in cathode design and make relevant improvements to specific energy, the community must focus on reducing the E/S ratio below 5 mL mg À1 .…”

Customized Structure Design and Functional Mechanism Analysis of Carbon Spheres for Advanced Lithium–Sulfur Batteries

“…Therefore, under the practical conditions of a high S loading (>5.0 mg cm −2 ), a low electrolyte/sulfur (E/S) ratio (<3.0 µL mgs −1 ), and a limited Li anode (<50 µm), protecting lithium anode from the side reactions and inhibiting the growth of lithium dendrite are the key for pushing forward the further development of LSB. [330,331] So far, people have proposed a variety of strategies to achieve high-performance lithium metal anodes, including electrolyte modification [332,333] and binder design, forming an ion/electron conductor layer on Li-metal anode, [334] and preparing 3D conductive frameworks and lithiophilic hosts with sophisticated architectures. [288,335] The overall purpose is to enhance the stability of reaction interface and pursue uniform Li deposition to prevent the formation of lithium dendrites.…”

TiN nanocrystal anchored on N-doped graphene as effective sulfur hosts for high-performance lithium-sulfur batteries

“…Lithium-sulfur (Li-S) batteries have become promising candidates for next-generation energy storage devices due to their high specific capacity (1675 mAh g À1 ), high energy density (2600 Wh kg À1 ) and relatively lower cost compared to conventional Li-ion batteries based on transition metal oxide cathodes [1][2][3][4]. Unfortunately, the development of Li-S batteries is limited by many obstacles.…”