Quantenmechanische Untersuchung der Strukturentwicklung von polymeren Schwefelkathoden beim Entladezyklus von Li-S-Batterien

• Antragsteller: Dr. Pouya Partovi-Azar
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420536636

Lithium-Schwefel-Batterien stellen aufgrund ihrer hohen Speicherkapazität und ihrer hohen volumetrischen Energiedichte eines der vielversprechendsten Systeme für die Energiespeicherung auf chemischer Basis dar. Die derzeit am stärksten limitierenden Faktoren dieser Systeme sind eine unzureichende Ausnutzung der Schwefelkapazität an der Kathode sowie eine zu niedrige Lebensdauer im Sinne der Lade-Entlade-Zyklenzahl. Beide Probleme werden meist auf die Bildung von Lithium-Polysufiden und ihre Dissoziation in den Elektrolyten hinein (sogenannter Shuttle-Effekt) zurückgeführt. In den letzten Jahren haben Schwefel/Kohlenstoff-Copolymere als Kathodenmaterialien für Li-S-Batterien viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Es hat sich gezeigt, dass strukturelle Flexibilität, funktionale Vielseitigkeit und große chemische Stabilität von Schwefel/Kohlenstoff-Copolymeren die bekannten Probleme in Li-S-Batterien überwinden können, die mit einer schlechten Zyklusleistung einhergehen. In diesem Projekt wollen wir Lithiumreaktionen an polymeren Schwefelkathoden aufklären und die Möglichkeit der Li-Polysulfidbildung untersuchen. Der Fokus wird auf zwei Ausgangssystemen liegen, nämlich Schwefel-Polymerkomposite auf Basis von Polyacrylnitril, sowie Schwefel-angereicherte Copolymere auf Basis von Poly-(Schwefel-1-3-diisopropenylbenzol). Zentrales Ziel des Projekts ist die Erfassung und Charakterisierung der Einzelreaktionen an der Schwefelkathode, um ein mechanistisches Bild der strukturellen Veränderungen der Kathodenmaterialien während der Entladungszyklen zu erhalten und damit verbundene entsprechende räumliche Lithiierungsmuster zu identifizieren. Die Kenntnis der zeitlichen Entwicklung der Lithiierungsmuster ermöglicht es uns, lokale strukturelle Merkmale in den vorgeschlagenen Polymeren zu identifizieren, die die Nutzung von Schwefel einschränken könnten. Hierdurch soll eine Steigerung der Effizienz der Polymerkathoden durch geeignete morphologische Modifikationen der Kathode erreicht werden. Diese Untersuchungen werden durch quantenchemische Berechnungen in Kombination mit Multiskalenmodellierung durchgeführt und durch Spektroskopiesimulationen ergänzt. Begleitende Berechnungen spektroskopischer Signaturen werden eine kontinuierliche Validierung der theoretischen Ergebnisse gegen experimentelle Spektren erlauben. Durch direkten Vergleich zwischen simulierten und gemessenen Spektren können so auch spektroskopische Merkmale mit bestimmten lithiierten Strukturen verknüpft werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen