Liaison zwischen Schwefel und Kohlenstoff

Nicht nur für die Erzeugung elektrischer Energie suchen Wissenschaftler nach neuen Wegen – auch für die Speicherung des Stroms müssen Alternativen gefunden werden, um Energie effizient und umweltfreundlich nutzen zu können.

Auf der Suche nach der Batterie der Zukunft gilt es dabei vor allem, optimale Materialkombinationen zu finden, die mit den vorherrschenden Lithium-Ionen-Akkus konkurrieren können. Dabei rücken auch sogenannte Metall-Schwefel-Batterien zunehmend in den Fokus. Denn Schwefel verspricht eine hohe Speicherkapazität und günstige Herstellungskosten.

Chemiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena, des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien in Jena und der Technischen Universität Chemnitz haben jetzt allerdings ein Phänomen in diesem Batterietyp entdeckt, das ihre Funktionsweise erheblich beeinflussen könnte und deshalb unbedingt näher erforscht werden muss. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in der neuen Ausgabe des renommierten Fachmagazins „Angewandte Chemie“.

Unerwartete Wechselwirkung

„In Verbindung mit einem Metall, etwa Natrium oder auch Lithium, kann eine Batterie mit Schwefel als Pluspol theoretisch wesentlich mehr Energie speichern als mit den meisten anderen Materialien“, erklärt Prof. Dr. Philipp Adelhelm von der Universität Jena. „Weltweit wird daher intensiv an Metall-Schwefel-Batterien geforscht. Aufgrund der schlechten Leitfähigkeit von Schwefel, muss dieser dafür allerdings sehr feinteilig mit leitfähigem Kohlenstoff kombiniert werden.“

Bei Kontakt scheinen nun beide Elemente auf unerwartete Weise in Wechselwirkung zu treten. Die Wissenschaftler haben hierzu unter normaler Umgebungstemperatur hochporöse Kohlenstoffteilchen und Schwefel zu gleichen Teilen miteinander vermischt. Dabei bedeckten die Schwefelatome innerhalb kurzer Zeit die komplette Oberfläche des Kohlenstoffs.

Nimmt man die Mischung nun durch spektroskopische oder mikroskopische Verfahren genauer unter die Lupe, so lassen sich deutliche Änderungen in den Eigenschaften des Schwefels feststellen. Nach wenigen Tagen verliert der Schwefel seine Struktur und wird amorph. Auch der Schmelzpunkt geht verloren. Das Phänomen, dass Schwefel sich in Kontakt mit Kohlenstoff auf solch drastische Art verändert, bezeichnen die Chemiker als Spillover.

„Wir sind sehr überrascht, dass dieser Effekt bisher übersehen wurde, da wir ihn mit relativ einfachen Untersuchungen einwandfrei feststellen konnten“, sagt Adelhelm. „Wir gehen davon aus, dass dieses fundamentale Phänomen Auswirkungen auf alle Arten von Metall-Schwefel-Batterien haben, bei denen poröser Kohlenstoff zum Einsatz kommt.“ Deshalb müssten nun weitere Forschungen angeschlossen werden, um mehr über den hier vorhandenen Spillover-Effekt herauszufinden und ihn in Batterien eventuell nutzbar zu machen.

Kontakt:
Prof. Dr. Philipp Adelhelm
Institut für Technische Chemie und Umweltchemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Center for Energy and Environmental Chemistry Jena (CEEC Jena)
Philosophenweg 7a, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 948400
E-Mail: philipp.adelhelm[at]uni-jena.de

Original-Publikation (Vorabversion):
L. Medenbach, I. Escher, N. Köwitsch, M. Armbrüster, L. Zedler, B. Dietzek, P. Adelhelm (2018): Sulfur Spillover on carbon materials and possible impacts on metal-Sulfur batteries, Angewandte Chemie International Edition, https://doi.org/10.1002/anie.201807295