Batterieforschung Neue Anode verlängert Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Akkus

Lithium-Schwefel ist die wahrscheinlichste Nachfolge-Technik für Lithium-Ionen-Akkus und verspricht doppelt so hohe Energiedichten. Das größte Problem ist allerdings die geringe Lebensdauer solcher Akkus. Forscher des Fraunhofer IWS Dresden haben nun einen neuen Ansatz gefunden, die Lebensdauer zu erhöhen.

Mit Lithium-Schwefel-Akkus ließe sich im praktischen Einsatz eine spezifische Energie von 350 Wh/kg bis 600 Wh/kg erzielen. Zum Vergleich: aktuelle Lithium-Ionen-Akkus bringen es auf rund 200 – 250 Wh/kg. Das bedeutet, dass man mit der gleichen Anzahl von Akkus doppelt so weit kommen würde. Außerdem besteht die Kathode aus Schwefel, einem billigen und leicht verfügbaren Material.

Das Problem dieser Akkus ist deren Stabilität, die bisher noch keine annehmbaren Werte erreich hat. Da sich Schwefel beim Laden ausdehnt und sich beim Entladen wieder zusammenzieht, wird die Kathode stark belastet. Dazu kommt, dass sich Schwefel im Elektrolyt löst und das Aktivmaterial somit verloren geht.

Forscher des Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden haben diese Akkus im Labor nun erheblich stabilisiert. So erreichten die Forscher 1.400 Ladezyklen und die Zelle hatte dann immerhin noch eine Kapazität von 60 Prozent des ursprünglichen Werts. Bisher hatten sie nur 200 Ladezyklen erreicht.

Diese Stabilisierung erreichten die Forscher um Dr. Holger Althues vor allem durch ein neues Anodenmaterial. So wird in Lithium-Schwefel-Batterien häufig eine Anode aus metallischem Lithium verwendet, da es zusammen mit einer Kathode aus Schwefel die höchstmögliche Energiedichte verspricht. Das Problem ist allerdings, dass beide Materialien großen Volumenänderungen beim Laden und Entladen unterliegen, was die Lebensdauer der Zelle beschränkt.

Die Forscher des Fraunhofer IWS verwendeten statt einer Anode aus Lithium ein Silizium-Kohlenstoff-Gemisch. Damit konnten sie die Anode im Vergleich zu einer Lithium-Anode stabiler machen, mussten allerdings kleine Einschränkungen bei der Energiedichte hinnehmen. Das Kohlenstoffgerüst wirkt dabei der Volumenänderung des Siliziums beim Laden und Entladen entgegen. Auch die Schwefelkathode wurde mit so einem Gerüst aus leitfähigem und porösem Kohlenstoff stabilisiert.

Diese Ergebnisse erzielten die Forscher mit einer 1 cm² kleinen Testzelle mit einer Kapazität von rund 1,3 mAh. Ein weiterer Forschungsschritt ist es, diese Resultate auch auf größere Zellen zu übertragen. Außerdem wollen die Forscher die Energiedichte der Anode weiter erhöhen.

Derzeit wird an vielen Forschungseinrichtungen an Lithium-Schwefel-Akkus geforscht. Derzeit geht man davon aus, dass sie etwa in 10 Jahren marktreif sein könnten.