Festkörper-Schwefelbatterie zeigt erstmals nahezu volle Kapazität
Forschende erreichen mit einer neuen Festkörper-Schwefelbatterie 1500 mAh/g – ein Schritt näher an die theoretische Kapazitätsgrenze.
Chen-Jui (Ben) Huang, Postdoktorand an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago und am Laboratory for Energy Storage and Conversion der University of California in San Diego, ist Mitautor einer neuen Veröffentlichung, in der es um die Entwicklung praktischer, leistungsstarker Festkörperbatterien unter Verwendung der Lithium-Schwefel-Umwandlung geht.
Foto: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Jason Smith
Die Nachfrage nach Batterien wächst rasant. Elektrofahrzeuge, stationäre Energiespeicher und perspektivisch auch elektrifizierte Flugzeuge treiben den Bedarf. Laut Analysen von S&P Global Insights könnte sich die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien bis 2030 im Vergleich zu 2023 mehr als verdoppeln. Gleichzeitig steigen Kosten und Rohstoffbedarf.
Die Branche sucht deshalb nach Alternativen zu klassischen Lithium-Ionen-Systemen. Ein Kandidat ist Schwefel. Das Element ist günstig, weltweit verfügbar und besitzt eine sehr hohe theoretische Energiedichte. Doch in der Praxis blieb dieses Potenzial lange unerreichbar. Ein Forschungsteam aus den USA meldet nun Fortschritte.
Eine neue Studie zeigt, wie sich Schwefelkathoden so aufbauen lassen, dass sie deutlich mehr ihrer theoretischen Kapazität nutzen können.
Inhaltsverzeichnis
Warum Schwefel so attraktiv ist
Schwefel gilt seit Jahren als möglicher Nachfolger der heutigen Kathodenmaterialien. Während viele Lithium-Ionen-Batterien auf Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden basieren, benötigt eine Lithium-Schwefel-Batterie deutlich weniger kritische Rohstoffe.
Vor allem die theoretische Kapazität macht das Material interessant. Schwefel kann bis zu 1675 Milliamperestunden pro Gramm speichern. Das liegt deutlich über klassischen Kathodenmaterialien.
In der Praxis stoßen Forschende jedoch auf ein grundlegendes Problem. Schwefel leitet weder Elektronen noch Lithium-Ionen besonders gut. Dadurch bleibt ein Teil des Materials in der Elektrode elektrochemisch inaktiv.
Chen-Jui Huang, Postdoktorand an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago, beschreibt das so: „Was den Preis angeht, ist Schwefel das ultimative kostengünstige Material, das man in einer Batterie verwenden möchte.“
Doch die Nachteile sind erheblich: „Eine wesentliche Einschränkung von Schwefelkathoden besteht darin, dass Schwefel von Natur aus isolierend ist, eine vernachlässigbare elektronische Leitfähigkeit aufweist und nur einen begrenzten Ionentransport ermöglicht. Daher ist es schwierig, eine kontinuierliche Elektronen-/Ionenperkolation herzustellen, und ein erheblicher Teil des Schwefels bleibt elektrochemisch unzugänglich, was es schwierig macht, die volle theoretische Kapazität auszuschöpfen.“
Partikelgröße entscheidet über die Leistung
Das Forschungsteam konzentrierte sich auf die Struktur der Kathode. Statt neue Materialien zu entwickeln, optimierten die Forschenden die räumliche Anordnung der bestehenden Komponenten.
Eine Schwefel-Festkörperkathode besteht aus drei Hauptbestandteilen:
- Schwefel als aktives Material
- ein Festelektrolyt (Solid State Electrolyte, SSE)
- leitfähiger Kohlenstoff
Alle Komponenten liegen als Pulver vor. Entscheidend ist deshalb, wie gut sich diese Partikel im Elektrodenmaterial verteilen.
Die Forschenden stellten fest, dass die Partikelgröße des Festelektrolyten eine zentrale Rolle spielt. Optimal sind Partikel im Mikrometerbereich. Nur dann lassen sich die festen Bestandteile dicht genug packen, damit Elektronen und Lithium-Ionen durch die Elektrode transportiert werden können.
Huang erklärt: „Die Partikelgröße des Festelektrolyten ist wichtig, da man feste Partikel mit festen Partikeln kombiniert. Es ist also entscheidend, wie sie sich miteinander stapeln oder wie sie am dichtesten im Zellstapel gepackt werden können.“
Neuer Mahlprozess verändert die Elektrodenstruktur
Neben der Partikelgröße veränderte das Team auch den Herstellungsprozess. Bisher werden die Komponenten meist in mehreren Schritten gemahlen und anschließend gemischt. Das Problem: Schwefelpartikel und Elektrolytpartikel kommen dabei oft nicht eng genug miteinander in Kontakt.
Die Forschenden entwickelten deshalb einen einstufigen Mahlprozess. Dabei werden Schwefel, Elektrolyt und Kohlenstoff gleichzeitig verarbeitet. Das führt zu einer gleichmäßigeren Mischung. Gleichzeitig bildet sich eine sogenannte metastabile Zwischenphase. Dabei reagiert der Sulfid-Festelektrolyt teilweise mit dem Schwefelmaterial. Dieser Effekt verbessert den Ladungstransport innerhalb der Kathode.
Mit dieser Methode erreichte das Team eine spezifische Entladekapazität von rund 1500 mAh pro Gramm Schwefel. Damit rückt die Technologie näher an den theoretischen Grenzwert von 1675 mAh/g.
Erste Demonstration im Pouch-Zellenformat
Ein weiterer Schritt ist der Praxistest. Viele neue Batteriekonzepte funktionieren nur in kleinen Laborzellen. Für Anwendungen in Elektrofahrzeugen sind jedoch größere Zellformate notwendig. Das Team testete seine Technologie deshalb in einer sogenannten Pouch-Zelle. Dieses Format ähnelt den Batterien, die heute in vielen Elektrofahrzeugen verwendet werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Technologie grundsätzlich skalieren lässt. Seung Bo Yang von LG Energy Solution erklärt: „Anstatt neue Materialien oder Beschichtungen hinzuzufügen, zeigt diese Arbeit, dass durch eine sorgfältigere Anordnung der vorhandenen Materialien Schwefel viel effizienter reagieren kann.“
Und weiter: „Durch die Optimierung der Partikelgröße und der Mischung der Materialien kann die Batterie eine hohe Kapazität und praktische Energieausbeute in einem vollständig festkörperbasierten Design liefern.“
Festkörperdesign erhöht die Sicherheit
Die Arbeit konzentriert sich außerdem auf Festkörperbatterien. Diese verzichten auf flüssige Elektrolyte, die in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien brennbar sein können.
Huang beschreibt den Unterschied so: „Die wesentliche Eigenschaft von Festkörperbatterien besteht darin, dass wir diese brennbaren organischen Flüssigelektrolyte durch nicht brennbare Festkörperelektrolyte ersetzen.“
Und ergänzt: „Alles ist trocken, es gibt keinen einzigen Tropfen Flüssigkeit.“ Das kann das Risiko thermischer Zwischenfälle reduzieren, etwa bei Beschädigungen der Batterie.
Mechanische Stabilität durch „atmende“ Elektroden
Ein weiteres Problem vieler Batterien sind Volumenänderungen beim Laden und Entladen. Elektrodenmaterialien dehnen sich aus und schrumpfen wieder. Diese Bewegungen können langfristig zu mechanischen Schäden führen.
Schwefel verhält sich dabei anders als klassische Kathodenmaterialien wie Nickel-Mangan-Kobalt (NMC). Während NMC beim Laden schrumpft, neigt Schwefel eher zur Ausdehnung.
Die Forschenden nutzten diesen Effekt gezielt. Sie kombinierten eine Siliziumanode mit einer Lithium-Sulfid-Kathode. Die beiden Materialien verändern ihr Volumen in entgegengesetzte Richtungen. Dadurch gleichen sich die Bewegungen teilweise aus. Das reduziert mechanische Spannungen innerhalb der Zelle.
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