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Faktencheck: Was man über Lithium-Schwefel-Akkus wissen muss

Lithium-Schwefel-Akkus gelten als Nachfolgetechnik für Lithium-Ionen-Akkus, doch es gibt noch jede Menge Fragezeichen. Wir wollten alles wissen, was es über diesem Akkutyp momentan zu sagen gibt: Was sind eigentlich Lithium-Schwefel-Akkus, was können sie und wann werden sie in der Praxis auftauchen? Für unseren Faktencheck haben wir Dr. Holger Althues vom Fraunhofer-IWS in Dresden gefragt.

Ein Lithium-Schwefel-Akku im Pouch-Bag-Format, der am Dresdner IWS entwickelt wurde. Das Problem sind noch die Ladezyklen. Bildquelle: © Fraunhofer IWS
Ein Lithium-Schwefel-Akku im Pouch-Bag-Format, der am Dresdner IWS entwickelt wurde. Das Problem sind noch die Ladezyklen.
Dr. Holger Althues ist Gruppenleiter „Chemische Oberflächentechnologie“ an der Abteilung Chemische Oberflächen- und Reaktionstechnologie des Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS. Dort leitet er auch ein Team, das sich mit der Entw Bildquelle: © Fraunhofer IWS
Dr. Holger Althues ist Gruppenleiter „Chemische Oberflächentechnologie“ an der Abteilung Chemische Oberflächen- und Reaktionstechnologie des Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS. Dort leitet er auch ein Team, das sich mit der Entwicklung von Lithium-Schwefel-Akkus beschäftigt.

Elektronik: Herr Dr. Althues, aus welchen ­Materialien bestehen Kathode und Anode beim Lithium-Schwefel-Akku (Li-S)?

Dr. Holger Althues: In der Kathode wird Schwefel in der Regel als Komposit mit Kohlenstoff eingesetzt. Dadurch erhält die Elektrode eine genügende elektrische Leitfähigkeit. Die strukturellen Eigenschaften wie die Porengeometrie und die spezifische Oberfläche des Kohlenstoffs wirken sich entscheidend auf den nutzbaren Schwefelanteil und damit die spezifische Kapazität der Kathode aus. Für die Anode wird in der Regel Lithium-Metall als Folie oder Beschichtung eingesetzt. Neue Arbeiten beschäftigen sich mit Silizium-Legierungsanoden.

Elektronik: Welche Energiedichte haben Lithium-Schwefel-Akkus und um wie viel höher ist das ungefähr als bei aktuellen Lithium-Ionen-Akkus?

Althues: In Li-S-Prototypzellen werden derzeit ca. 350 Wh/kg erreicht. Mit Li-Ionen-Akkus erreicht man maximal 250 Wh/kg, in der Regel haben die Zellen aber 150 bis 200 Wh/kg. Man kann also die Energiedichte ca. um den Faktor 1,5 bis 2 erhöhen. Das Potenzial bei der Weiterentwicklung der Li-S-Zellen ist aber noch viel höher. Erwartet wird eine Energiedichte zwischen 400 und 600 Wh/kg. Die volumetrische Energiedichte wird nicht viel größer sein als bei einem Lithium-Ionen-Akku.

Elektronik: Was heißt das nun für das Gewicht dieser Akkus?

Althues: Auf Basis der Li-S-Zellen lassen sich Batterien mit deutlich reduziertem Gewicht bei gleichem Energieinhalt und Volumen herstellen.

Elektronik: Wie viele Jahre ist die Li-S-Einführung von der Praxis entfernt?

Althues: Nischenanwendungen werden bereits bedient, bis zum Elek­troauto mit Li-S-Batterien vergehen aber mindestens noch sechs bis zehn Jahre.

Elektronik: Was ist das derzeit größte Problem?

Althues: Das größte Problem ist die Zyklenstabilität. Zellen mit hoher Energiedichte weisen max. 50 stabile Lade-/Entladezyklen auf.

Elektronik: Was passiert innerhalb des Lithium-Schwefel-Akkus, dass er noch nicht besonders langlebig ist?

Althues: Es gibt verschiedene ­Degradationsmechanismen, die noch nicht vollständig verstanden sind. Klar ist, dass Reaktionen an der Anoden­oberfläche zu einer Zersetzung des Elektrolyten und damit zu einer Austrocknung der Zelle führen.

Elektronik: Welche Konzepte gibt es, diese Probleme zu lösen?

Althues: Es gibt etwa Ansätze, die Li-Metall-Anode durch Beschichtungen oder Membranen zu schützen. Wir am Fraunhofer IWS verfolgen vor allem die Substitution von Lithium-Metall mit alternativen Anoden auf Basis von Silizium und Kohlenstoff.

Elektronik: Wie viele Ladezyklen schaffen solche Akkus derzeit im Labor?

Althues: Mit stabilen Anodenkonzepten lassen sich bereits viele hundert Zyklen erreichen. Wir haben sogar schon bis 2.000 Zyklen demonstriert. Die Zellen trocknen nicht mehr aus, zeigen aber dennoch geringe, stetige Kapazitätsverluste.

Elektronik: Ein paar hundert Ladezyklen wären doch gar nicht so schlecht; warum wird denn das noch nicht in die Praxis überführt?

Althues: In den stabilen Zellen werden derzeit noch keine sehr hohen Energiedichten erreicht. Hieran wird derzeit gearbeitet. Das Entwicklungs-Potenzial ist sehr hoch.

(Li-S)