Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie sind in Smartphones, mobilen Computern und Elektrofahrzeugen zu finden und zeichnen sich durch schnelle Ladezeiten, lange Lebensdauer und eine hohe Energiedichte aus. Doch trotz dieser Vorteile bergen sie auch Herausforderungen: So wird für die Kathoden der Batterien Kobalt verwendet.
Dieses Element ist selten, teuer und toxisch und kann auch die thermische Stabilität verschlechtern. Lithium-Schwefel-Batterien (LiS) sind eine vielversprechende Alternative. Sie sind aus umweltfreundlicheren und kostengünstigeren Materialien gefertigt und bieten eine noch höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings kämpfen sie mit Problemen wie einer kurzen Lebensdauer und der geringen Leitfähigkeit von elementarem Schwefel. Hier setzt die Forschung von Delvina Tarimo an, die im Energie-Materialien-Team von Prof. Volker Presser an der Entwicklung von LiS mit neuartigen Materialien, sogenannten MXenen, arbeitet.
Aussichtsreiche Grundlage
MXene sind zweidimensionale Materialien, die aus Übergangsmetallkarbiden und -nitriden bestehen und herausragende Eigenschaften wie hohe metallische Leitfähigkeit und gute mechanische Stabilität aufweisen. Sie bieten eine aussichtsreiche Grundlage für die nächste Generation von Batterien, da sie die Herausforderungen der derzeitigen LiS-Technologie überwinden können.
Das Projekt der Humboldt-Stipendiatin zielt darauf ab, ein Sandwich-Material aus zweidimensionalen MXenen und ebenfalls zweidimensionalem Schwefel-aktiviertem Kohlenstoff zu entwickeln. Diese Kombination soll die grundlegenden Probleme von Kathodenmaterialien lösen. „Durch die Optimierung der MXene-Struktur und die Nutzung von Nanoporen können wir die Energiespeicherkapazität erhöhen und die Lebensdauer der Batterien verlängern“, erklärt sie.
Volumenschwankungen besser kontrollieren
Ein zentraler Aspekt ihrer Forschung ist es, zu untersuchen, welche Auswirkungen die Einbettung von Schwefel in die MXene-Schichten hat. Durch das Einbringen von Schwefel sollen mehr aktive Bereiche für die Elektrolyt-Ionen geschaffen und die Volumenschwankungen während der chemischen Reaktion besser kontrolliert werden können.
Die Nachwuchsforscherin aus Tansania, die an der Universität von Pretoria in Südafrika promovierte, bringt umfangreiche Erfahrung in der Synthese und Charakterisierung von Kohlenstoffmaterialien mit. Mit ihrer Arbeit leistet sie einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger und effizienter Energiespeicherlösungen und bringt frischen Wind in die Batterieforschung. „Das Humboldt-Stipendium bietet mir die einmalige Möglichkeit, meine Forschung unabhängig und gleichzeitig in Zusammenarbeit mit dem INM umzusetzen“, freut sich die Materialwissenschaftlerin. Sie ist bereits die vierte Mitarbeitende mit einem Humboldt-Stipendium in der Gruppe von Volker Presser, der selbst Humboldtianer ist und zwei Jahre in den USA forschte.
