Neuer Lithium-Schwefel-Akku kann sich selbst heilen
1962 wurde das erste Patent für einen Lithium-Schwefel-Akku erteilt. Trotzdem haben sich diese Feststoffbatterien bisher nicht durchgesetzt – obwohl sie interessante technische Eigenschaften haben.
Ein Lithium-Schwefel-Akku hat eine theoretische Energiedichte von bis zu 2.654 Wattstunden pro Kilogramm. Für Lithium-Ionen-Akkus wurde im Vorjahr ein Rekord mit 711 Wh/kg aufgestellt, als theoretisches Maximum gilt derzeit 1.250 Wh/kg. Das heißt: Ist ein Schwefel-Akku genauso groß wie ein Lithium-Akku, könnte er, je nach Bauweise, ein Vielfaches der Speicherkapazität haben. Ein Elektroauto hätte so etwa mehr als doppelt so viel Reichweite.
Umgekehrt könnte man einen halb so großen bzw. halb so schweren Schwefel-Akku bauen, der mindestens die gleiche Kapazität wie der Lithium-Ionen-Akku hat. Außerdem sollen die Schwefelakkus günstiger als Lithium-Ionen-Batterien sein.
Wenn da nicht die Haltbarkeit wäre
Dem Gegenüber steht das große Problem der Haltbarkeit. Schwefel ist ein schlechter Stromleiter, was für den Akkubau natürlich nicht optimal ist. Außerdem verformen sich Schwefelkathoden beim Lade- und Entladeprozess, indem sie signifikant anschwellen und sich zusammenziehen, berichtet Technologynetworks.
Dadurch entstehen Schäden in der Batterie. Außerdem wird die Kontaktfläche zwischen Kathode und dem festen Elektrolyten kleiner. Dadurch sinken schon nach vergleichsweise wenigen Lade- und Entladevorgängen die maximale Speicherkapazität und die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Akkus. Frühere Forschungen, um die Lebensdauer zu erhöhen, funktionierten nur im Labor, aber nicht unter realen Bedingungen.
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Neue Hoffnung durch Iod
Ein Forschungsteam in den USA hat jetzt möglicherweise eine Lösung gefunden, die alltagstauglich ist. Dazu wurde eine kristalline Schwefelkathode geschaffen. Zwischen den Kristallstrukturen befinden sich Iod-Moleküle (Jod). Dadurch wurde die Leitfähigkeit der Kathode um den Faktor 11 erhöht. Die Leitfähigkeit ist damit 100 Milliarden Mal höher als die von reinen Schwefelkristallen.
Ein willkommener Nebeneffekt ist, dass die Schmelztemperatur der neuen Kathode bei 65 Grad Celsius liegt. Die Forschenden nennen das die „Goldlöckchen-Zone“: Höher als Raumtemperatur und niedrig genug, um die Kathode regelmäßig zu schmelzen.
Im festen Zustand sieht die neue Kathode wie braunes Pulver aus, geschmolzen wird sie zu einer violetten Flüssigkeit
© Photos by David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Laut den Forschenden hat die Kathode deshalb selbstheilende Eigenschaften. Durch das Schmelzen und folgende wieder erhärten werden Risse und ähnliche Schäden beseitigt. Dieses Ziel hätten schon viele Forschungen zu Lithium-Schwefel-Akkus gehabt, bisher konnte die Selbstheilung aber nicht erreicht werden.
Langer Weg zur Serienreife
Die ersten Versuche mit dieser neuen Technologie sind vielversprechend. Nach mehr als 400 Lade- und Entladezyklen behielt die Versuchsbatterie eine Kapazität von 87 Prozent.
Laut den Forschenden ist es aber noch ein weiter Weg, bis solche Akkus serienreif sind. Mit der selbstheilenden Kathode sei aber ein großer Schritt Richtung alltagstauglicher Feststoffbatterien gemacht worden.
Als Nächstes will das Forschungsteam das Design der Batteriezellen verbessern. Außerdem werde man am Upscaling arbeiten, um dem Ziel eines serienreifen Lithium-Schwefel-Akkus näherzukommen. Die Studie zu dieser Forschung erschien in Nature.