Lithium-Schwefel-Batterien sind eine aussichtsreiche Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus. Bisher sind größere Lithium-Schwefel-Batterien aber noch nicht langlebig genug. Jetzt haben Forscher eine Schwefel-Kathode mit neuem Aufbau entwickelt, die Lithium-Schwefel-Batterien zu einer längeren Lebensdauer verhilft. Damit rücken sie ein ganzes Stück näher in Richtung Marktreife.

Je größer die Lithium-Schwefel-Batterie, desto kürzer ihre Lebensdauer

Lithium-Schwefel-Akkus arbeiten mit einer Kathode aus Schwefel und Kohlenstoff. Wird die Batterie entladen, reagiert metallisches Lithium mit dem Schwefel zu Lithiumsulfid. Dabei wird Strom freigesetzt. Diese Akkus haben eine hohe Energiedichte, aber auch einen großen Nachteil: Die Struktur und das Volumen der Kathode verändern sich schnell, und deshalb verliert der Akku mit jedem Laden an Leistung. Das geht umso schneller, je größer die Batterie ist.

Mahdokht Shaibani von der Monash University in Australien und ihr Team haben eine Lösung für dieses Problem gefunden. Ihre neuartigen Schwefel-Elektroden sind so aufgebaut, dass sich das Volumen der Kathode auch bei größeren Batterien nicht so stark verändert. Sie setzen ein Bindemittel aus Natrium-Carboxymethylcellulosen (Na-CMC) ein und halten so den Schwefel und Kohlenstoff an der Kathode zusammen.

Damit sich das neue Bindemittel so effizient und so fein wie möglich in der Kathode verteilt, haben Shaibani und ihr Team eine neue Herstellungsmethode entwickelt. Diese ermöglicht Kathoden mit großen Reaktionsoberflächen und hoher Leitfähigkeit und Ionendurchlässigkeit, die Ladestress vertragen können. Die neuen Kathoden zeigten im Test eine Kapazität von mehr als 1.200 Milliamperestunden pro Gramm. Das ist dreimal so viel, wie aktuelle Lithium-Ionen-Akkus erreichen.

Über 200 Ladezyklen im Test

Außerdem schafften die Lithium-Schwefel-Batterien über 200 Ladezyklen, ohne viel Leistung einzubüßen. Das sei bei Schwefel-Kathoden dieser Dicke bislang unerreicht, schreiben die Forscher im Magazin „Science Advances“. Die Forscher berichten auch, dass ihre Kathode zudem einen Wirkungsgrad von 99 Prozent erreiche – ihres Wissens nach sei diese Kombination bei Kathoden mit so hohem Schwefelgehalt bisher einzigartig.

Einfache Herstellung

Mit dieser neuen Herstellungsmethode könnte man Lithium-Schwefel-Akkus auch in größeren Maßstäben als bisher herstellen. Sie werden aktuell nur als Knopfzellen produziert und genutzt, doch jetzt wären auch größere Batterien möglich. Ein weiterer Vorteil neben Leistung und Lebensdauer ist die einfache und kostengünstige Herstellung. Die Herstellung basiert zum großen Teil auf wasserbasierten Prozessen, so dass weniger umweltschädlicher Müll anfällt.

Auch das macht die neuen Lithium-Schwefel-Batterien zu einer vielversprechenden Lösung, gerade für die Elektromobilität. Denn heutige Lithium-Ionen-Akkus sind zwar leistungsfähig, aber begrenzt in ihrer Energiedichte und können zudem explodieren. Außerdem basieren sie auf umweltschädlichen und konfliktbehafteten Rohstoffen.

Quellen / Weiterlesen

Durchbruch bei Lithium-Schwefel-Batterien | Ingenieur.de
Expansion-tolerant architectures for stable cycling of ultrahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries | Science Advances
Fortschritt bei Lithium-Schwefel-Batterien | scinexx
Bildquelle oben: Pixabay

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