Li-S-Batterien sind für ihre hohe theoretische Energiedichte, hohe Kapazität und niedrigen Kosten bekannt. Die Kommerzialisierung wird jedoch durch das berüchtigte Shuttle-Verhalten der intermediären Lithiumpolysulfide und die träge Kinetik der Flüssig-Fest-Reaktion behindert. Um diese Probleme zu überwinden, widmet sich Lus Gruppe dem rationalen Design und der Synthese von Elektrokatalysatoren und neuartigen Strukturen von Kohlenstoffmaterialien, vor allem durch kolloidale Ansätze. Zu den Katalysatoren gehören vor allem Metalloxid- und Metallsulfid-Nanopartikel (FeOx, TiOx, FeS, MoS2, MoS3 usw.), aber nicht nur. Sie werden unter Verwendung von Polymeren als weiche Vorlagen mit unterschiedlichen Funktionen synthetisiert [2]. Ein Schwerpunkt des kolloidalen Ansatzes ist die Verwendung sphärischer Polyelektrolytbürsten (SPB) mit Polydopamin (PDA)- Beschichtung für Elektrokatalysator-Nanopartikel. Die ultrafeinen CoP-Nanopartikel (5~8 nm) wurden synthetisiert und in hohle Kohlenstoffkugeln eingebettet, was zu hervorragenden Schwefelwirten für Li-S-Batterien führte [3]. Im Gegensatz zu den klassischen Kathoden mit Bindemitteln und Aluminium -Stromabnehmern wurden freistehende Schwefelkathoden aus Kohlenstoff-Nanofasern mit sauerstoffarmen Titandioxid-Nanopartikeln (TiO2-x/ CNFs) für Li-S-Pouch-Zellen durch Elektrospinnen hergestellt (Abb. 2; [4]). Außerdem kann der mit Selen funktionalisierte Kohlenstoff-Nanofaserfilm Design und Entwicklung von Materialien für Lithium-Schwefel Batterien als Kohlenstoff-interlayer zwischen den Kathoden und Separatoren eingesetzt werden. Diese Konfiguration kann Polysulfid-Shuttling unterdrücken, was zu einer verbesserten Lebensdauer und Kapazität der Batterie führt [5]. [2] Xie D., Wu Q., Elibol M. K., Jiang L., Lu Y. (2024): Rational designing and prospecting iron-based compounds as efficient host materials for lithium–sulfur batteries, Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, DOI. 10.1016/j.cogsc.2024.100958 [3] Feng P., Wu Q., Ayllon Y. R., Lu Y. (2024): Precisely Designed Ultra‐ Small CoP Nanoparticles‐Decorated Hollow Carbon Nanospheres as Highly Efficient Host in Lithium− Sulfur Batteries, Chem. Eur. J., DOI. 10.1002/chem.202401345 [4] Feng P., Dong K., Xu Y., Zhang X., Jia H., Prell H., Tovar M., Manke I., Liu F., Xiang H., Zhu M., Lu Y. (2024): Efficient and Homogenous Precipitation of Sulfur Within a 3D Electrospun Heterocatalytic Rutile/ Anatase TiO2-x Framework in Lithium–Sulfur Batteries, Advanced Fiber Materials, DOI. 10.1007/s42765-024-00380-1 [5] Wang W., Liang L., Gao L., Cao Q., Jing B., Wang X., Hou H., Zhang W., Lu Y. (2024): Spatial configuration of interlayer maximizing suppression and conversion efficiency of lithium polysulfides for advanced lithium–sulfur batteries, Materials Today Energy, DOI. 10.1016/ j.mtener.2024.101521 Abb. 2. (a) Schematische Darstellung des Syntheseprozesses der TiO2-x/CNFs. (b) Digitalfoto der so hergestellten TiO2-x/CNFs. (c, d) SEM-Aufnahmen der TiO2-x/CNFs. Bild: AG Lu FORSCHUNG — 125 Operando-Analyse von Batterien In-situ- und Operando- Techniken haben sich als leistungsfähige Methoden für die Echtzeituntersuchung dynamischer Prozesse in Batterien erwiesen. Diese Techniken ermöglichen die direkte Beobachtung elektrochemischer Reaktionen und struktureller Veränderungen während des Batteriebetriebs mit allen interagierenden Komponenten und liefern entscheidende Einblicke in die Mechanismen, die die Leistung und den Abbau von Batterien bestimmen. Die Gruppe von Lu beschäftigt sich mit den Operando-Methoden für Metall/ Schwefel- und polymerbasierte Batterien [6-7]. Ein Fokus der Operando-Techniken liegt auf der Insitu-Röntgentomographie, die zur Untersuchung der Strukturentwicklung und Dendritenbildung der Lithium-Metall-Anode während der Entladung und Abb. 3: (a, b) Zyklische Performance von Li-Metallanoden mit VCOF-SPE und SPE-Referenzelektrolyt, (c, d) Röntgentomogramme von Li-Metallanoden während des Zyklus. Bild: AG Lu Aufladung in polymerbasierten Festkörperbatterien eingesetzt wurde (Abb. 3; [1]) [6] Yu J., Pinto-Huguet I., Zhang C., Zhou Y., Xu Y., Vizintin A., Velasco-Vélez J., Qi X., Pan X., Oney G., Olgo A., Märker K., Da Silva L. M., Luo Y., Lu Y., Huang C., Härk E., Fleming J., Chenevier P., Cabot A., Bai Y., Botifoll M., Black A. P., An Q., Amietszajew T., Arbiol J. (2024): Mechanistic Insights and Technical Challenges in Sulfur-Based Batteries: A Comprehensive In Situ/ Operando Monitoring Toolbox, ACS Energy Letters, DOI. 10.1021/ acsenergylett.4c02703. [7] Böttcher N., Dayani S., Markötter H., Schmidt A., Kowal J., Lu Y., Krug von Nidda J., Bruno G. (2024): Visualization of Stepwise Electrode Decomposition in a Nail Penetrated Commercial Lithium-Ion Cell Using LowTemperature Synchrotron X-Ray Computed Tomography, Journal of Power Sources, DOI. 10.1016/j.jpowsour.2024.235472.
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