Projektbeschreibung
Bessere Lithium-Schwefel-Batterien dank Forschung
Lithium-Schwefel-Batterien scheinen die idealen Nachfolger für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien zu sein, da sie unter Umständen günstiger sind und mehr Energie pro Gewichtseinheit enthalten können. Die bisher erreichte Energiedichte konnte die theoretischen Vorhersagen jedoch nicht erfüllen. Da die Beladung der porösen Kohlenstoffkathode mit ausreichenden Schwefelmengen jedoch schwierig ist, kann sich ihr elektrochemisches Potenzial nicht voll entfalten. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts NanoEvolution sollen die Aspekte in den Fokus gerückt werden, zu denen es noch große Wissenslücken gibt. Das Projektteam wird die Massen- und Ladungstransporteigenschaften von Lithium-Schwefel-Batterien untersuchen und neue Erkenntnisse zu den elektrochemischen Reaktionsmechanismen liefern, insbesondere zur Schwefelreduktion in mehreren Schritten. Durch Modellierungs- und experimentelle Arbeiten werden wir ein besseres Verständnis in Bezug auf die Kinetik und Morphologie der Lithium-Schwefel-Ablagerung in Kohlenstoffelektroden in einem nie dagewesenen Längenmaßstab entwickeln.
Ziel
Lithium-sulfur (Li-S) batteries are considered a strategic candidate to achieve both significantly higher energy storage and better sustainability than current Lithium-ion batteries. They operate by converting sulfur into lithium sulfide and back on discharge/charge. However, practically achieved energies are far from theoretical values due to difficulties to load sulfur in high areal and volume density in the porous carbon cathode and to fully use it electrochemically. Current experimental techniques are strong in aspects, but fail to combine the required coverage of length scales ranging from sub-nanometers to micrometers in the crucial real-time in situ fashion.
NanoEvolution aims to i) identify nanoscale structure-transport-performance correlations, ii) understand capacity limitations and reaction mechanisms, and iii) derive design criteria for improved Li-S battery performance. To achieve these goals, structure-sensitive in situ scattering and imaging methods during electrochemically operating custom-built in situ Li-S cells will be implemented. Specifically, in situ small and wide angle X-ray scattering (SWAXS) will be established and synergistically combined with nanoscale phase evolution modelling for data analysis. In situ nanoscale X-ray tomography will be realized to achieve continuous structural sensitivity from (sub-)nanometer (SWAXS) to sub-micrometer scales (tomography).
The novel combination of modelling and structure-sensitive in situ experiments allows real-time detection of the Li2S/sulfur morphology and location within the nanoporous carbon electrode during charge and discharge, at length scales so far not accessible to other methods. This allows to determine the final cause for capacity limitation (mass transport vs. charge transport), ii) elucidate the nature of the multiple-step sulfur reduction (oxidation) reaction, and iii) derive design criteria for improved sulfur loading, capacity utilization, and power densities.
Wissenschaftliches Gebiet
Programm/Programme
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Aufforderung zur Vorschlagseinreichung
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MSCA-IF - Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowships (IF)Koordinator
8092 Zuerich
Schweiz