Lithium-Schwefel-Batterien werden durch Maisprotein besser

Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) sind eine der hoch gehandelten Kandidaten, um den steigenden Bedarf nach Hochleistungs-Energiespeichersystemen zu befriedigen. Die theoretische Kapazität (1675 mAh/g), ihre theoretisch erreichbare Energiedichte (2600 Wh/kg) liegen etwa eine Größenordnung über den Werten für handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt. Schwefel ist reichlich als Rohstoff vorhanden. Lithium-Schwefel-Batterien sind bei gleicher Energiemenge leichter und umweltfreundlicher als die üblicherweise verwendeten Lithium-Ionen-Batterien.

Doch es gibt kritische Punkte, wie ein Forschungsteam der Washington State University (WSU) schreibt: den sogenannten Shuttle-Effekt von Polysulfiden zum Beispiel. Dabei diffundiert der Schwefelanteil der Batterie in den flüssigen Teil der Batterie und wandert auf die Lithiumseite. Folge: Die Batterie funktioniert sehr schnell nicht mehr. Auch ändert sich das Volumen dynamisch während des Ladezyklus und die Nutzungsrate von Schwefel ist niedrig. Auf der Lithiumseite der Batterie bilden sich häufig Lithiummetallspitzen, sogenannte Dendriten, die einen elektrischen Kurzschluss verursachen können. Alles zusammen verschlechtert die Zyklusleistung von Li-S-Batterien „ernsthaft“, die Lebensdauer werde verkürzt, heißt es in einer Mitteilung der WSU. Aber das lässt sich verbessern, wie das Team um Katie Zhong, Professorin an der School of Mechanical and Materials Engineering, herausgefunden hat – mithilfe von Maisprotein.

Wie Maisprotein helfen kann, die Leistung einer Lithium-Schwefel-Batterie zu verbessern?

Zhong, ihr Professoren-Kollege Jin Liu und drei Doktoranden erzeugten eine schützende Zwischenschicht, die in der Batterietechnik Separator genannt wird, aus Maisprotein in Kombination mit einem häufig verwendeten Kunststoff. Eine so präparierte Lithium-Schwefel-Knopfzelle hielt so über 500 Zyklen ihre Ladung. „Die Ergebnisse sind hervorragend“, so Zhong. „Maisprotein wäre ein gutes Batteriematerial, weil es reichlich vorhanden, natürlich und nachhaltig ist“, so Liu.

Konkret wechselwirken die Aminosäuren des Maisproteins mit den Batteriematerialien und so lässt sich zum Beispiel der Shuttle-Effekt verhindern. Das Team führte dazu sowohl numerische Studien als auch Experimente durch, um den Effekt für die Batterie zu beweisen. Ein Teil des Erfolgs ist, dass das Maisprotein, was gefaltet vorliegt, für eine bessere Wechselwirkung verändert werden kann: „Als Erstes müssen wir uns überlegen, wie wir das Protein öffnen können, damit wir diese Wechselwirkungen nutzen und das Protein manipulieren können“, so Liu. Hier spielt eine kleine Menge flexiblen Kunststoff eine Rolle; sie flacht das Protein ab und verbessert so die Leistung. „Der resultierende Separator weist nicht nur eine verbesserte thermische Stabilität und gute Benetzbarkeit auf, sondern fängt auch Polysulfid effektiv ein“, heißt es im Fazit der Studie.