Lithium-Schwefel-Festkörper-Batterie soll 300 Jahre halten

Forschende der Peking University, der Justus-Liebig-Universität in Gießen und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben gemeinsam eine Lithium-Schwefel-Festkörper-Batterie entwickelt, die 300 Jahre halten soll. Diese Haltbarkeit ist deutlich länger als bei klassischen Lithium-Ionen-Batterien. Gegen die Lithium-Schwefel-Batterien spricht jedoch eine im Vergleich zu Lithium-Batterien niedrigere volumetrische Energiedichte und geringe Lebensdauer mit circa 200 Ladezyklen. Die Ergebnisse der Forschung wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Lithium-Schwefel-Batterien haben hohe gravimetrische Energiedichte

Lithium-Schwefel-Batterien verfügen über eine hohe gravimetrische Energiedichte, wobei bis zu 2.654 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) möglich sein sollen – bisher wurden allerdings nur 350 Wh/kg erreicht. Als gravimetrische Energiedichte beschreibt man, wie viel Energie ein bestimmtes Material pro Masseeinheit speichern kann. Durch höhere Energiedichten kann die Zyklenfestigkeit gesenkt werden. Momentan können Lithium-Ionen-Akkus circa 200 Wh/kg speichern.

Geringe volumetrische Energiedichte und geringe Lebensdauer

Allerdings besitzen Lithium-Schwefel-Batterien eine vergleichsweise niedrigere volumetrische Energiedichte und eine geringe Lebensdauer. Diese erreicht momentan circa 200 Ladezyklen, wobei Lithium-Akkus 1.000 Ladezyklen erreichen, bevor die Speicherkapazität unter 80% der Ursprungskapazität sinkt.

Doch Forschende sollen nun eine Lösung für das Problem mit den Ladezyklen gefunden haben. Unter Labortests soll der Feststoffakku 25.000 Ladezyklen erzielen. Zum Vergleich: Ein Elektroauto mit 400 Kilometer Reichweite, das jährlich 15.000 km fährt, benötigt rund 38 Ladezyklen pro Jahr. Somit würde ein Akku mit 25.000 Ladezyklen für 300 Jahre eine Speicherkapazität von über 80% bewahren können. Da man eine Batterie meist nicht vollständig lädt, wären theoretisch sogar 600 Jahre denkbar.

Fester Elektrolyt gewährleistet höhere Lebensdauer

Die bahnbrechende Steigerung der Ladezyklen ist auf den Einsatz eines festen Elektrolyten zurückzuführen. Dieser neuartige Elektrolyt unterbindet die Entstehung von löslichen Zwischenprodukten aus Schwefel und Lithium. Diese beschleunigen in herkömmlichen flüssigen Elektrolyten die Selbstentladung und mindern die Batteriekapazität. Die Wissenschaftler entwickelten diesen festen Elektrolyten aus einer glasartigen Mischung aus Bor, Schwefel, Lithium, Phosphor und Jod. Die Integration von Bor erwies sich dabei als besonders wirkungsvoll, da es den Elektronentransfer in den Redoxreaktionen forciert und somit die Reaktionskinetik an den Elektroden maßgeblich verbessert.

Aussichten für die Zukunft und Einsatz der Batterie

Es ist anzumerken, dass sich die wissenschaftlichen Erkenntnisse auf Laborwerte beschränken. Daher ist bislang unklar, ob und inwieweit eine Großserie realisierbar sein wird. Außerdem könnte es sein, dass die neuartige Batterie lediglich als stationärer Energiespeicher Verwendung findet, wenn die volumetrische Energiedichte deutlich niedriger als bei Lithium-Akkus ist. Nichtsdestotrotz beschäftigen sich aktuelle Forschungen auch mit diesem Sachverhalt und entwickeln eventuell Lösungen, die den Einsatz der Batterien in Elektroautos möglich machen.

Quellen / Weiterlesen