Der Bedarf für kleine, leichte und gleichzeitig leistungsfähige Akkus wächst. Neue Stromspeicher, die Lithium-Schwefel-Akkus, könnten die ausgereizten Lithium-Ionen-Akkus zukünftig ersetzen. Mit Hilfe der Nanotechnologie haben Forscher jetzt die Lithium-Schwefel-Akkus weiter verbessert. Poröse Nanopartikel aus Kohlenstoff lagern den Schwefel so ein, dass eine größtmögliche Leistungsfähigkeit des Akkus erreicht wird.
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Die bisherigen Prototypen des Lithium-Schwefel-Akkus bestehen aus einer Lithium-Elektrode und einer Schwefel-Kohlenstoff-Elektrode, zwischen denen Lithium-Ionen aus-getauscht werden. Der Schwefel spielt in diesem System eine besondere Rolle: zum einen kann er im Idealfall zwei Lithium-Ionen pro Schwefelatom aufnehmen und ist daher wegen seines geringen Gewichts ein exzellenter Energiespeicher. Gleichzeitig ist er aber selber kaum leitfähig, so dass Elektronen beim Be- und Entladen nur schwer weitertransportiert werden können. Die Idee des Chemikers Thomas Bein von der LMU München und Linda Nazar von der kanadischen Waterloo Universität ist es daher, Schwefel mit einer möglichst großen Oberfläche zur Elektronenaufnahme zu generieren und ihn gleichzeitig an leitfähiges Material zu koppeln.
Dazu entwickelten Bein und sein Team ein Gerüst aus porösen Kohlenstoffnanopartikeln. In den nur drei bis sechs Nanometer großen Poren dieser Teilchen kann sich der Schwefel homogen verteilen. Dadurch liegen fast alle Schwefelatome frei zugänglich und können Lithium-Ionen aufnehmen. Gleichzeitig befinden sie sich in der Nähe des leitfähigen Kohlenstoffs. „Der Schwefel ist in den neuartigen hochporösen Kohlenstoffnanoteilchen elektrisch sehr gut zugänglich und wird darin stabilisiert, so dass wir eine hohe Anfangskapazität von 1200 mAh/g und gute Zyklenstabilität erzielen konnten“, erklärt Bein.
Schutz vor Ladeproblemen
Die Kohlenstoff-Struktur verringert auch das sogenannte Polysulfid-Problem. Polysulfide entstehen als Zwischenprodukt der Elektrolyse und können das Laden und Entladen des Akkus beeinträchtigen. Der Kohlenstoff bindet das Polysulfid jedoch solange, bis dessen Umwandlung zum unschädlichen Dilithiumsulfid abgeschlossen ist. Zusätzlich konnten die Wissenschaftler das von ihnen entwickelte Kohlenstoff-Material mit einer dünnen Silizium-Oxid-Schicht überziehen, die vor Polysulfid schützt, ohne die Leitfähigkeit zu beeinträchtigen.
Mit ihrem neuem Material stellten die Wissenschaftler ganz nebenbei einen neuen Rekord auf: Unter allen mesoporösen Kohlenstoff-Nanopartikeln weist ihr Material nach aktueller Datenlage das bisher größte innere Porenvolumen (2,32 cm3/g) und die extrem hohe Oberfläche von 2445 m2/g auf. Das entspricht ungefähr dem Volumen eines Zuckerwürfels und der Oberfläche von zehn Tennisfeldern – vielleicht werden ähnlich große Oberflächen bald in unseren Akkus stecken. „Unsere Ergebnisse zeigen die große Bedeutung der Nano-Morphologie für die Leistungsfähigkeit neuer Konzepte zur Energiespeicherung“, so Bein. (Angewandte Chemie, 2012; doi:10.1002/anie.201107817)
(Ludwig-Maximilians-Universität München, 12.04.2012 – NPO)
