Stromversorgung für die Mobilität 08.01.2020, 09:02 Uhr

Durchbruch bei Lithium-Schwefel-Batterien

Australische und deutsche Forscher haben einen Akku entwickelt, der Autos eine Reichweite von 1.000 Kilometern und mehr beschert. Außerdem ist er günstig herzustellen und benötigt keine giftigen Elemente wie Lithium-Ionen-Batterien.

Batteriesymbol grün schwarzer Hintergrund

Foto: panthermedia.net/Thomaspajot

Elektroautos haben mit einer neuen Batterie, die genauso groß ist wie ein heute verwendeter Block aus Lithium-Ionen-Akkus, eine Reichweite von 1.000 Kilometern und mehr. Bisher sind es etwa 400. Forscher der Monash University im australischen Melbourne, des Fraunhofer-Instituts für Material- und Strahltechnik (IMS) und des Lehrstuhls für Anorganische Chemie der Technischen Universität Dresden haben den sensationellen Stromspeicher entwickelt.

Batterie schafft schon 200 Ladezyklen

Dresden ist seit Jahren das wichtigste Zentrum für die Entwicklung dieses neuen Batterietyps. Bisherige Prototypen hatten jedoch eine zu kurze Lebensdauer. Nach wenigen Lade- und Entladezyklen waren die Kathoden zerstört. Das jetzige Modell, das in Dresden gefertigt wurde, kommt auf immerhin 200 Zyklen, ohne nennenswert an Kapazität zu verlieren. Für die Praxis ist das allerdings noch zu wenig, dennoch ein ermutigender Schritt, zumal diese Batterie ohne das giftige Kobalt auskommt.

Bindemittel lindert die Folgen des „Atmens“

Die Kathoden bestehen zu 70 % aus Schwefel, zu 20 % aus Kohlenstoff und zu 10 % aus Lithium-Carboxymethylcellulose (CMC). Diese Bestandteile werden mit Wasser zu einem Brei verrührt und glattgestrichen. Nach dem Trocknen ist die Kathode fertigt. CMC ist ein Bindemittel, das die Folgen des „Atmens“ der Kathoden reduziert. Darunter versteht man deren extreme Ausdehnung beim Entladen, die beim Beladen rückgängig gemacht wird. Das führt zu schneller Zerstörung der Elektroden.

Lithium und Schwefel bilden Verbindungen

Mahdokht Shaibani von der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der Monash University leitete das internationale Forscherteam, das die Idee hatte, CMC einzusetzen. Beim Entladen der Batterie wandern Lithiumionen von der Anode zur Kathode und bilden dort Lithium-Schwefel-Verbindungen. Beim Laden kehrte sich dieser Prozess um. Das CMC verhindert das „Atmen“ zwar nicht vollständig. Es sorgt jedoch dafür, dass die übrigen Bestandteile der Kathoden stets in Verbindung bleiben. CMC bildet gewissermaßen flexible Brücken. Das zeigte sich bei Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop. In der Sprache der Wissenschaftler klingt das so: „Inspiriert von den klassischen Ansätzen in der Partikelagglomerationstheorie haben wir einen Ansatz gefunden, bei dem minimale Mengen eines hochmoduligen Bindemittels zwischen benachbarten Partikeln platziert werden, wodurch mehr Raum für Materialexpansion und Ionendiffusion bleibt.“

Kostengünstige Herstellung

Neben der hohen Kapazität der Lithium-Schwefel-Batterie hat dieser Speicher noch einen entscheidenden Vorteil. Schwefel ist ein äußerst kostengünstiges Material. Zudem ist weit weniger Lithium nötig als zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien. „Dieser Ansatz“, so der Monash-Forscher Matthew Hill, „sorgt nicht nur für hohe Leistung und eine lange Lebensdauer, sondern ist auch einfach und äußerst kostengünstig in der Herstellung unter Verwendung von Prozessen auf Wasserbasis und kann zu einer erheblichen Reduzierung umweltgefährdender Abfälle führen.“

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