Forscher entwickeln eine optimale Siliziumdisulfid-Produktionstechnologie, um die Leistung von Festkörperbatterien zu steigern

Ein Team unter der Leitung von Dr. Ha Yoon-Cheol, einem leitenden Forscher des Next Generation Battery Research Center am Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) und Dr. Cheol-Min Park, einem Professor der School of Materials Science and Engineering am Kumoh National Institute of Technology (KIT) hat eine kostengünstige Produktionstechnologie für Siliziumdisulfid (SiS2) für Festkörperelektrolyte (Argyrodit-Typ) entwickelt, die das Potenzial hat, die Kommerzialisierung von All-Solid-State-Batterien (ASSBs) zu beschleunigen.

ASSBs ersetzen die flüssigen Elektrolyte, die Ionen zwischen Anode und Kathode übertragen, durch einen Feststoff, der weniger anfällig für Feuer oder Explosion ist. Es bleiben jedoch viele Herausforderungen, um die Kommerzialisierung zu erreichen, zB Schwierigkeiten bei der Verarbeitung und Massenproduktion, hohe Materialkosten usw. Viele Forschungsgruppen auf der ganzen Welt arbeiten hart daran, diese Herausforderungen anzugehen, und KERI hat auch mehrere Erfolge gezeigt.

In dieser Studie entschied sich das Team von Dr. Ha für Siliziumdisulfid. In der Wissenschaft ist allgemein bekannt, dass die Zugabe von Siliziumdisulfid zu Festkörperelektrolyten für ASSBs zur Verbesserung der Ionenleitfähigkeit und Feuchtigkeitsstabilität beiträgt. Die Synthese von Siliziumdisulfid aus Schwefel und Silizium erfordert jedoch eine hohe Reaktionstemperatur, was zu Schwankungen des Dampfdrucks von Schwefel führt, was den Herstellungsprozess von Siliziumdisulfid besonders schwierig macht. Aus diesem Grund ist Siliziumdisulfid ein sehr teures Material, das derzeit etwa 1,7 Millionen KRW pro 20 Gramm kostet.

KERI hat eine Verarbeitungstechnologie zur optimalen Herstellung von Siliziumdisulfid entwickelt und den Weg für dessen Anwendung in Festkörperelektrolyten für ASSBs geebnet. Dem Team gelang es, Synthesebedingungen zu schaffen, indem es die Anordnung von Schwefel- und Siliziumpulver optimierte und eine perfekt abgedichtete Umgebung schuf, um dem Dampfdruck von Schwefel bei 800 Grad Reaktionstemperatur standzuhalten. Die Qualität des resultierenden Produkts war mit den im Handel erhältlichen Produkten vergleichbar. Das Team stellte unter Verwendung ihres Siliziumdisulfids Festkörperelektrolyte her und stellte fest, dass es eine mehr als doppelt so hohe Ionenleitfähigkeit und Feuchtigkeitsstabilität aufwies. Außerdem wird der optimierte Prozess dazu beitragen, die Produktion zu vereinfachen und die Produktionskosten zu senken.

„Viele Forscher im In- und Ausland haben sich bemüht, den erhöhten Dampfdruck von Schwefel anzugehen, was die Verwendung teurer Rohstoffe oder die Einführung spezieller Verfahren erforderte“, sagte Dr. Ha. „Das Erreichte wird dazu beitragen, Siliziumdisulfid für Festkörperelektrolyte billiger und einfacher herzustellen.“

Das Team wendete das neue Siliziumdisulfid auch als aktives Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien auf Flüssigelektrolytbasis an und identifizierte erstmals die Zerstörung und Wiederherstellung von Schichtstrukturen während des Ladens und Entladens. Die Ergebnisse des Teams aus ihrer Siliziumdisulfid-Studie wurden als Titelartikel in der jüngsten Ausgabe des veröffentlicht Zeitschrift für Materialchemie A.