Oktober 2014

Aufgrund des weltweiten Bedarfs an neuen Energie-Speichermaterialien stehen besonders Lithium-Schwefel Akkumulatoren im Fokus wissenschaftlichen Interesses aufgrund ihrer hohen theoretischen Energiedichten und den kostengünstig zu produzierenden Komponenten. Ein zentraler Aspekt der aktuellen Forschung ist dabei die Entwicklung spezieller Schwefel/Kohlenstoff Komposit-Materialen, die in der Kathode Verwendung finden und die die Lebensdauer der Batterien verbessern sollen. Üblicherweise erfolgt die strukturelle Charakterisierung dieser Nano-Komposite durch vakuumbasierte Analysemethoden, besonders durch N2-Physisorptionsmessungen und Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Mittels systematischer Analysenvergleiche von verschiedenen Schwefel/Kohlenstoff-Komposit-Modellsystemen konnten wir jedoch zeigen, dass die Charakterisierungs-ergebnisse dieses Stoffsystems oftmals falsch interpretiert werden. Im Falle von beispielsweise N2-Physisorptionsmessungen wäre zu erwarten, dass die Isotherme des Schwefel/Kohlenstoff-Komposits deckungsgleich mit der des reinen Kohlenstoffes ist, da der Schwefel-Anteil selbst nicht porös ist und die gezeigten Ergebnisse auf den Anteil des Kohlenstoffs normiert wurden. Stattdessen konnte jedoch in allen Fällen ein extrem starker Porositätsverlust beobachtet werden (siehe Abbildung). Weiterführende In-situ-SEM-Untersuchungen deckten auf, dass eine unerwartete und schnelle Schwefel-Umverteilung massiven Ausmaßes im Kohlenstoffmaterial stattfindet, die die N2-Physisorptionsdaten erklären. So konnte mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) im ursprünglich Schwefel-freien Kohlenstoffmaterial nach drei Stunden im SEM Vakuum ein Anteil von 13 wt% Schwefel nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Charakterisierung von Schwefel/Kohlenstoff Kompositen oder von Elektroden problematisch sein und die beobachtete schnelle Schwefel Migration ebenfalls wichtige Konsequenzen für die Leistungsfähigkeit von Lithium-Schwefel Akkumulatoren haben kann. (Bild eingreicht von Christine Eufinger)