Synthese, Charakterisierung und Optimierung von Schwefel-Polymer-Kompositen auf Basis sulfurierten Poly(acrylnitril)s als Kathodenmaterialien für Metall-Schwefel-Batterien

Die Suche nach Batterien mit immer höheren Energiedichten brachten Metall-Schwefel-Batterien jüngst stärker in den Fokus der Batterieforschung, zuletzt aufgrund vieler positiver Eigenschaften, die mit den verwendeten Rohmaterialien verknüpft sind. Eine der größten Herausforderungen der Schwefel-Kathode ist seine limitierte Zyklenstabilität, bedingt durch im Zuge des Betriebs gebildeter Metallpolysulfide, die häufig Elektrolyt-gängig sind, was in einem kontinuierlichem Massentransport dieser Intermediate zur Anode resultiert (Polysulfid-Shuttle-Mechanismus). Dies führt zu Passivierung der Anode und Aktivmaterialverlust.

Sulfuriertes Poly(acrylnitril) (SPAN) ist ein attraktives, alternatives Aktivmaterial zu elementarem Schwefel, da es mit einer Vielzahl an Elektrolyten kombinierbar ist und sich damit in zahlreichen Metall-Schwefel-Batterien, z.B. in Magnesium-, Natrium- und Lithium-Schwefel-Batterien einsetzen lässt. Überdies zeichnet sich dieser Komposit durch exzellente Zyklenstabilitäten und seine resiliente Antwort auf hohe Stromraten aus. Im Zuge dieser Arbeit wurde aufgeklärt, welche der zuvor genannten Eigenschaften von SPAN auf seinen strukturellen Eigenschaften basieren. Zu diesem Zweck wurde sulfuriertes Poly(vinylacetylen) (SPVac) als stickstofffreies Vergleichsmaterial mit zu SPAN ähnlichen Merkmalen (elementare Zusammensetzung, funktionelle Gruppen, Turbostratizität) hergestellt und eine vergleichende Studie des elektrochemischen Verhaltens durchgeführt. Zusätzlich wurde das Verhalten von SPAN-Kathoden in der Natrium-Schwefel-Zellchemie mittels geeigneter in situ Techniken, hierunter elektrochemischer Impedanzspektroskopie und Röntgenabsorptionsspektroskopie nahe der Absorptionskante (S K-Kante) bei unterschiedlichen Lade-/Entladezuständen untersucht und ein Redox-Mechanismus für SPAN postuliert. Zuletzt wurden die morphologischen und strukturellen Eigenschaften von SPAN mittels geeigneter Optimierung der Poly(acrylnitril) Präkursoren verbessert.