Fortschritt bei Lithium-Schwefel-Batterien

Verbessertes Akku-Konzept: Forscher haben Lithium-Schwefel-Batterien zu mehr Leistung und Langlebigkeit verholfen – durch ein neues Design der Schwefel-Kathode. Dieses verhindert die Degeneration der Schwefel-Elektrode selbst bei dickeren Schwefelschichten und erlaubt Leistungsdichten von mehr als 1.200 Milliamperestunden pro Gramm, wie die Forscher im Fachmagazin „Science Advances“ berichten. Damit könnten Lithium-Schwefel-Akkus künftig praktisch nutzbar werden.

Lithium-Ionen-Akkus stecken heute in nahezu allen mobilen Geräten, in Elektroautos und vielen weiteren Batterieanwendungen. Doch diese Akkus haben einige Schwächen: Sie können explodieren, verlieren im Laufe der Zeit an Kapazität und ihre Energiedichte ist nicht optimal – das begrenzt unter anderem die Reichweite von Elektroautos. Deshalb suchen Forscher weltweit nach leistungsfähigeren Alternativen für die Lithium-Ionen-Akkus, als Kandidaten gelten Lithium-Metall-Batterien, Natrium-Ionen-Akkus oder Lithium-Schwefel-Batterien.

Schwefel statt Graphit

Bei Lithium-Schwefel-Akkus dient ein Gemisch aus Schwefel und Kohlenstoff als Kathode. Beim Entladen der Batterie reagiert metallisches Lithium der Anode mit dem Schwefel zu Lithiumsulfid und setzt dabei Strom frei. Rein theoretisch erreichen Lithium-Schwefel-Akkus dabei eine nahezu optimal hohe Energiedichte – und könnten daher bei geringerem Gewicht die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen.

Doch in der Praxis haben diese Akkus einen Haken: Im Laufe der Zeit verändern sich Struktur und Volumen der Kathode drastisch. Dadurch nimmt die Leistung des Akkus mit jedem Ladezyklus deutlich ab. „Dieser Nebeneffekt der Elektroden-Desintegration wird mit zunehmender Dicke der Kathode immer ausgeprägter“, erklären Mahdokht Shaibani von der Monash University in Australien und ihre Kollegen.

Deshalb haben Forscher zwar schon langlebige und leistungsfähige Lithium-Schwefel-Akkus als Knopfzellen produziert, bei größeren Batterien jedoch hapert es an der Lebensdauer.

Mikrostruktur der Kathode optimiert

Eine Lösung für dieses Skalierungsproblem könnten nun Shaibani und ihr Team gefunden haben. Sie haben Schwefel-Kathoden entwickelt, deren Aufbau die Volumenveränderungen auch bei größeren Akkus minimiert. Kern des Konzepts ist dabei das Bindemittel aus Natrium-Carboxymethylcellulosen (Na-CMC), das Schwefel und Kohlenstoff an der Kathode zusammenhält und damit auch Verhalten und Mikrostruktur entscheidend beeinflusst.

Die Forscher haben für ihre neue Lithium-Schwefel-Batterie eine Fabrikationsmethode entwickelt, die das Bindemittel effizienter und gleichzeitig feiner im Kathodenmaterial verteilt. „Das ermöglicht die Bildung von mechanisch starken Brückenbindungen zwischen den Materialien und erzeugt Kathoden mit einzigartiger Architektur“, berichten Shaibani und ihre Kollegen. „Diese Kathoden haben große Reaktionsoberflächen, können Ladestress vertragen und haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Ionendurchlässigkeit.“

Hoher Wirkungsgrad und Kapazität

Was aber bringt dies konkret? Um das zu testen, konstruierten die Forscher Schwefel-Kathoden nach dem neuen Design und bauten sie in Pouch-Zellen ein – größere Akkus mit flexibler Hülle, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Im Test zeigte sich, dass diese Kathoden dabei eine Kapazität von mehr als 1.200 Milliamperestunden pro Gramm erreichten – dies ist etwa das Dreifache des Werts gängiger Lithium-Ionen-Akkus.

Noch wichtiger aber: Die Lithium-Schwefel-Akkus verloren auch über mehr als 200 Ladezyklen hinweg kaum an Leistung. „Ein solches Niveau anhaltender Kapazität ist für Schwefel-Kathoden dieser Dicke bislang unerreicht“, konstatieren die Wissenschaftler. Gleichzeitig erreichte ihre Kathode einen Wirkungsgrad von 99 Prozent. „Unseres Wissens nach ist diese Kombination von exzellenter Zyklenstabilität und Wirkungsgrad einzigartig für Kathoden mit so hohem Schwefelgehalt“, berichten sie.

Günstig, umweltfreundlicher und einfach zu produzieren

Nach Ansicht der Forscher löst ihre Fabrikationsmethode das Skalierungsproblem der Lithium-Schwefel-Akkus und könnte so ihre hohe Energiedichte künftig auch praktisch nutzbar machen. „Dieser Ansatz bringt uns nicht nur Akkus mit hoher Leistung und langer Lebensdauer, sie sind auch einfach und kostengünstig herzustellen“, erklärt Koautor Matthew Hill von der australischen Forschungsorganisation CSIRO.

Zudem werden für die Produktion der Lithium-Schwefel-Akkus vornehmlich wasserbasierte Prozesse genutzt, was die Menge umweltschädlicher Nebenprodukte und Abfälle signifikant reduziert. „All dies macht dieses neue Design von Elektroden eine vielversprechende Lösung für die praktische Anwendung auch im großen Maßstab“, konstatieren die Wissenschaftler. (Science Advances, 2019; doi: 10.1126/sciadv.aay2757)

Quelle: Monash University