Extrem effiziente Lithium-Schwefel-Batterie: Forscher lösen endlich Problem
Forscher in Berlin haben per Röntgenblick einen entscheidenden Störfaktor in den aussichtsreichen Stromspeichern entdeckt: Wandernde Polysulfide, die die zur Verfügung stehenden Lithium-Ionen reduzieren und damit die Kapazität senken.
Forschende haben einen Grund gefunden, warum der Batterietyp vorzeitig altert.
Foto: panthermedia.net/ janaka (YAYMicro)
Lithium-Schwefel-Batterien haben schon jetzt eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus, die Elektroautos, Laptops, Smartphones und viele andere Elektrogeräte mit Strom versorgen. Sie schaffen mit 350 Wattstunden pro Kilogramm etwa das Doppelte. Trotzdem sind sie noch nicht aus den Laboren in aller Welt herausgekommen, denn sie haben einen entscheidenden Nachteil. Nach wenigen Lade- und Entladezyklen sinkt die Kapazität der Lithium-Schwefel-Batterie auf ein unerträglich niedriges Niveau.
Doch geben die Forscher nicht auf. Es lockt die theoretisch mögliche Energiedichte von 2.500 Wattstunden pro Kilogramm. Würde auch nur die Hälfte davon erreicht hätten Elektrofahrzeuge mit bei gleichem Batteriegewicht eine etwa siebenmal größere Reichweite.
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Dass das keine Utopie ist, haben jetzt Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und Berlin bewiesen. Es gelang ihnen, zumindest einen Grund für das vorzeitige Altern dieses Batterietyps zu finden. Polysulfide, das sind kettenförmige Moleküle aus Lithium und Schwefel, reichern sich am Minuspol an, sodass immer weniger Lithium und Schwefel für die Energiespeicherung zur Verfügung steht.
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Das gelang durch Untersuchungen mit Röntgenlicht des Berliner Elektronensynchrotrons (Bessy 2). Die Forscher beobachteten durch Löcher, die sie in die Hülle gestanzt hatten, was während des Landes und Entladens der Batterie an Anode und Kathode passierte. So kamen sie der zerstörerischen Wanderlust der Polysulfide auf die Spur. Ihr Vorschlag: Mit einem Separator, der sich zusätzlich zum Elektrolyten zwischen den Elektroden befindet, der Polysulfide nicht passieren lässt, könnte die Lebensdauer entscheidend verlängert werden. Ob es tatsächlich so ist muss noch getestet werden.
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Die Rückwanderung klappt nicht wie es sein soll
Polysulfide bilden sich während des Batteriebetriebs am Pluspol (Kathode aus Lithium), lösen sich im Elektrolyten und wandern zum Minuspol (Anode aus mit leitfähigem Kohlenstoff dotiertem Schwefel). Beim Wiederaufladen müssten sie zum Pluspol zurückkehren, aber das tun nicht alle. Sie verharren in immer größeren Mengen am Minuspol. Dabei würde es reichen, wenn sich beim Entladen Lithiumionen aus der Kathode lösten, die den Separator und den Elektrolyten durchqueren und sich an der Anode zu Lithiumsulfid verbinden. Beim Laden kehrt sich der Vorgang um, die Lithium-Ionen kehren an ihren Stammplatz zurück. Die Polysulfide stören nur dann, wenn sie sich auf Wanderschaft begeben.
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2020 haben 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 bereits einen Fortschritt bei der Verbesserung der Technik einer Lithium-Schwefel-Batterie erzielt. Wir berichten hier über den Durchbruch bei Lithium-Schwefel-Batterien.
Er liegt in einem völlig neuen Design der schwefelhaltigen Kathode. Doch auch damit waren nur 200 Lade- und Entladezyklen möglich.
Aufbau der für die Messungen verwendeten, modifizierten Lithium-Schwefel-Batteriezellen, mit denen die gelösten Polysulfide am Pluspol (Kathode, links) und am Minuspol (Anode, rechts) untersucht wurden: Das Loch im Zellgehäuse gewährleistet die Transmission der Strahlung in und aus der Zelle. Das Loch im Plus- und Minuspol sorgt dafür, dass nur die im Elektrolyten gelösten Polysulfide untersucht werden. Grafik: Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Was für die Magnesium-Schwefel-Batterie spricht
Die Lithium-Schwefel-Batterie wäre ein Fortschritt gegenüber der Lithium-Ionen-Batterie nicht nur wegen der höheren Energiedichte. Sie benötigt auch keine seltenen und oft auf menschenunwürdige Weise gewonnenen Materialien wie Cobalt. Lithium selbst ist ein relativ seltenes Metall, das oft ohne allzu viel Rücksicht auf die Umwelt abgebaut wird.
Besser wäre es, Lithium durch das in Mengen verfügbare Magnesium zu ersetzen. Auch Batterien aus diesem Material haben eine hohe Energiedichte, hinken in der Entwicklung allerdings noch weit hinterher. „Die Magnesium-Schwefel-Batterie befindet sich im Stadium der Grundlagenforschung, sodass zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht eindeutig geklärt werden kann, ob sie zukünftig mit derzeit kommerziell verfügbaren Batterietechnologien konkurrieren kann“, so Verena Küpers, die zu den Batterieexperten der Forschungsgruppe Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) gehört, die an der Westfälischen Wilhelms-Universität angesiedelt ist.
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