Lithium-Schwefel Akkuzellen könnten Elektroautos endlich günstiger machen

(09.04.2013)

Lithium-Schwefel Akkuzellen sollen dem Elektroauto zum Durchbruch verhelfen, denn diese sind leistungsfähiger und kostengünstiger als die bekannten Lithium-Ionen Akkuzellen.

Beschichtung von Elektroden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren: Die Forscher haben jetzt das Design von Anode und Kathode für Lithium-Schwefel-Batterieren optimiert. Foto: Jeibmann/Fraunhofer IWS

Jedoch haben Lithium-Schwefel Akkuzellen bisher den Nachteil gegenüber den Lithium-Ionen Akkuzellen gehabt, dass ihre Lebensdauer – sprich mögliche Ladezyklen – zu gering war. Dies könnte sich in absehbarer Zeit ändern, denn Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben jetzt ein neues Batteriedesign entwickelt, dass die Aufladezyklen von Lithium-Schwefel-Akkus um das Siebenfache erhöht.

Dr. Holger Althues (Leiter ‚Chemische Oberflächentechnologie‘ am IWS) sagt:

„Bisher kam man bei Tests kaum über 200 Zyklen hinaus. Durch eine besondere Kombination aus Anoden- und Kathodenmaterial konnten wir nun die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Knopfzellen auf 1400 Zyklen ausdehnen“.

Die Anode ihres Prototyps besteht nicht – wie sonst üblich – aus metallischem Lithium, sondern aus einer Silizium-Kohlenstoff-Verbindung. Diese ist wesentlich stabiler, da sie sich bei jedem Ladevorgang weniger verändert als das Lithium-Metall. Denn je stärker sich das Anodenmaterial verformt, desto mehr vermischt es sich mit dem flüssigen Elektrolyten, der zwischen Anode und Kathode liegt und den Strom transportiert. Bei diesem Vorgang zersetzt sich die Flüssigkeit in Gas und Feststoffe. Die Batterie trocknet aus.

Althues erklärt:

„Im Extremfall ‚wächst‘ die Anode bis zur Kathode und sorgt mit einem Kurzschluss für den vollständigen Zusammenbruch der Batterie“.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer einer Batterie ist das Zusammenspiel von Anode und Kathode. Beim Lithium-Schwefel-Modell bildet elementarer Schwefel die Kathode.

Der Vorteil hier ist, dass Schwefel im Vergleich zum knappen Kobalt – dem hauptsächlich in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Kathodenmaterial – in nahezu unbegrenzten Mengen verfügbar und dadurch günstiger ist. Aber auch der Schwefel tritt mit dem flüssigen Elektrolyt in Wechselwirkung. Die Leistungsfähigkeit der Batterie sinkt, im schlimmsten Fall verliert sie vollständig an Kapazität. Die Forscher am IWS nutzen poröse Kohlenstoffe, um diesen Vorgang zu entschleunigen.

Althues erläuter:

„Wir haben die Poren der Kohlenstoffe exakt angepasst, damit sich der Schwefel dort einlagern kann und sich langsamer mit dem Elektrolyt verbindet“.

Zusammen mit seinen Kollegen hat der Forscher eine Methode entwickelt, um diese speziellen Kathoden herzustellen.

Die Experten vom IWS messen die Leistungsfähigkeit einer Batterie in Watt-Stunden pro Kilogramm (Wh/kg). Von Lithium-Schwefel-Batterien verspricht sich das Forscherteam langfristig eine Energiedichte von bis zu 600 Wh/kg.

Zum Vergleich: Aktuell verwendete Lithium-Ionen-Akkus kommen lediglich auf maximal 250 Wh/kg. Althues zu den Werten:

„Mittelfristig realistisch sind eher Zahlen um 500 Wh/kg. Das heißt, man kann bei identischem Batteriegewicht doppelt so weit fahren“.

Im Umkehrschluss sind deutlich leichtere Batteriemodelle möglich. Das ist nicht nur für Automobil-, sondern auch für Smartphone-Hersteller interessant: Die mobilen Alleskönner würden mit leichteren Akkus deutlich an Gewicht verlieren. Althues ergänzt:

„Vielleicht macht Lithium-Schwefel ja sogar das elektrische Fliegen möglich. Bis dahin muss aber noch viel passieren“.

Die Wissenschaftler arbeiten aktuell daran, das Material weiter zu optimieren und es in größeren Batteriemodellen einzusetzen. Auch auf geeignete Herstellungsmethoden wollen sie ihr Augenmerk legen. Denn nur so besteht die Chance, dass die Technologie es in den Massenmarkt schafft und sich die Zahl der Elektroautos auf deutschen Straßen entscheidend vergrößert.

Via: Pressemitteilung Fraunhofer IWS