Lithium-Schwefel-Batterien: Neue Werkstoffkonzepte für mobile Energiespeicher

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lithium-schwefel-batterienDer von PV-Anlagen erzeugte Solarstrom wird heute verstärkt für die Nutzung von Solarstrom-Speicheranlagen verwendet. Für die Speicherung dieser Energie werden hochwirksame Batterien genutzt, die diesen Strom immer dann abgeben, wenn er gebraucht wird. Dies wird meistens in den Abendstunden der Fall sein. Der darüber hinausgehende Solarstrom wird letztlich wieder in das örtliche Stromnetz eingespeist. Für diese Speicherung von Solarstrom haben sich Batterien auf Lithium-Ionen-Basis bewährt. Sie erreichen eine fast fünffach höhere Lebensdauer als herkömmliche Blei-Gel-Akkus, besitzen zudem eine hohe Zyklenfestigkeit und erreichen dabei eine Effizienz von nahezu 98 Prozent. Ebenso überzeugen Lithium-Batterien mit ihrer kompakten Bauweise, so dass platzsparenden Speicheranlagen gebaut werden können. Ende 2013 hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden völlig neuartige Lithium-Schwefel-Batterien vorgestellt.

Die neuen Stromspeicher auf Lithium-Schwefel-Basis

Am 06. und 07.11.2013 hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden seine neuen Ergebnisse in der Erforschung von Lithium-Schwefel-Batterien vorgestellt. Hier haben sich internationale und nationale Experten aus Forschung und Industrie getroffen, um sich einen Überblick über den Entwicklungsstand und möglich zukünftige Trends im Bereich regenerativer Energien zu verschaffen. Zu den Neuerungen zählen auch die Lithium-Schwefel-Batterien, die eine wesentlich höhere spezifische Energie aufweisen können, als die bereits bei PV-Anlagen verwendeten Lithium-Ionen-Speicher. Dr. Holger Althues, der fachliche Koordinator des Zentrums für Batterieentwicklung am Fraunhofer IWS teilte mit, dass die neuen Lithium-Schwefel-Batterien in seinen Augen die vielversprechendste Innovation für eine zukünftige Energiespeicherung sei. Im Vergleich von kobaltbasierten Kathodenmaterialien, wie sie in herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus verwendet werden, sei der Rohstoff Schwefel nicht nur reichlich vorhanden, sondern zudem auch ungiftig und preiswert.

Längere Lebensdauer der Lithium-Batterien mit Schwefelstoff-Zusatz

Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung von Lithium-Batterien stellt die Lebensdauer und Zyklenfestigkeit dar. Durch die Verwendung von nanostrukturierte Kohlenstoff-Schwefel-Komposite, Silizium-Legierungs-Anoden und Festkörper-Elektrolyte könnte die Stabilität von Lithium-Schwefel-Batterien deutlich erhöht werden. Schon seit längerer Zeit arbeiten Forscher an der Verbesserung der Lebensdauer dieser neuartigen Lithium-Schwefel-Zellen. Erst kürzlich haben die Forscher vom Fraunhofer-IWS besondere Lithium-Schwefel-Zellen entwickelt, die weit mehr als 1.300 Lade- und Entladezyklen aufweisen und hierdurch einen Effizienz von annähernd 100 Prozent erreichen. Der Erfolg und die verbesserte Stabilität dieser Batteriezellen seien nach Ansicht der Forscher auf die völlig neue Zusammensetzung der Materialien zurückzuführen. Dabei kombiniert das Fraunhofer IWS die Kohlenstoff-Silizium-Verbund-Anoden mit den porösen Kohlenstoff-Schwefel-Kathoden. Durch dieses Verfahren und die hohe Schwefelausnutzung erreichen die Nanokomposit-Kathoden sogar eine spezifische Kapazität, die höher ist als 1.400 Ah kg-1, bezogen auf die verwendete Masse des Schwefels.

Von der Entwicklung in die Praxis

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Durch den Einsatz dieser neuartigen Lithium-Schwefel-Batterien ergeben sich für den Endverbraucher viele Vorteile. Allein durch die kostengünstige Produktion des Ausgangsmaterials und einer hohen Umweltverträglichkeit könnten die Anschaffungskosten schon bald sinken. So werden auch diejenigen Nutzer angesprochen, die sich bisher aufgrund der hohen Anschaffungskosten noch für keine effektive Solarstrom-Speicheranlage ausgesprochen haben. Ein weiteres Kriterium ist natürlich die höhere Effektivität. Mit einer höheren Zyklenfestigkeit können die verwendeten Lithium-Batterien häufiger geladen und entladen werden als bisher. Die Anschaffungskosten rechnen sich und der Kunde wird mit einer langen Lebensdauer seiner Batterien belohnt. Durch den Einsatz kostengünstiger und leistungsfähigerer Lithium-Schwefel-Batterien könnten über kurz oder lang auch diejenigen Nutzer an einen Batteriewechsel denken, die bisher auf die schweren und voluminösen Blei-Gel-Akkus setzten. Hierdurch wird ein Umstieg wesentlich vereinfacht. In vielen Fällen ist die Umrüstung und der Installationsaufwand auf diese neuen Lithium-Schwefel-Akkus ohne großen Aufwand zu betreiben.

Bildquelle: © lichtkunst.73 / pixelio – www.pixelio.de


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