Neue Akkus Forscher stabilisieren Lithium-Schwefel-Akkus

Weltweit wird daran geforscht, wie sich die Energiedichte von Li-Ionen-Akkus weiter steigern lässt. Eine vielversprechende Variante sind Li-Schwefel-Akkus, die aber noch zu instabil sind. US-Forscher haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich die Lebensdauer solcher Akkus deutlich erhöht.

Lithium-Schwefel-Akkus weisen eine vielfach höhere Energiedichte auf als herkömmliche Li-Ionen-Akkus. Bei diesen Akkus besteht die Kathode aus einem Schwefelgemisch, dass beim Entladevorgang mehr Lithium-Ionen aufnehmen kann als die heutigen Kathodenmaterialien. Das Problem ist, dass diese Kathode nicht besonders stabil ist.

So reagiert das Lithium beim Entladevorgang mit dem Schwefel einerseits zu Lithiumsulfid. Beim Laden des Akkus gibt der Schwefel diese Ionen wieder ab und sie wandern wieder zurück in die Anode. Zusätzlich entstehen beim Entladen allerdings noch Polysulfide, die elektrolytlöslich sind. Dadurch verliert der Akku bei jedem Entladevorgang aktives Material und damit nach und nach seine Kapazität. Dazu kommt, dass sich die Kathode bei jedem Entladevorgang ausdehnt und das Material mit der Zeit zerstört.

Die Forscher von der Stanford University und dem SLAC National Accelerator Laboratory rund um Prof. Yi Ciu haben für diese beiden Probleme eine Lösung entwickelt. Dazu haben sie ein neues Nanomaterial für die Kathode verwendet. Dieses Material besteht aus 800 nm großen Partikeln bei denen einzelne Schwefelteile von einer Schale aus porösem Titanoxid umschlossen sind. Die Forscher vergleichen ihre Entwicklung daher mit einem Ei. Das Eigelb sind in dem Fall die Schwefelteile. Die Lithiumionen gelangen beim Entladen zwar in das »Ei« hinein aber mit dem Schwefel gebunden nicht wieder hinaus. Somit kommen bei diesem Vorgang auch die Polysulfide nicht mehr aus der Kathode heraus und lösen sich nicht im Elektrolyt. Die Kapazität bleibt erhalten. Erst beim Ladevorgang  gelangen die einzelnen Lithium-Ionen wieder durch die Hülle zurück in die Anode.  Da die Schwefelpartikel in ihrer Hülle außerdem noch genügend Platz haben, können sie sich beim Entladen auch ausdehnen, ohne die Hülle und damit die Kathode zu beschädigen (siehe Bilderstrecke).

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Funktion und Herstellung der Akkus

Funktion und Herstellung der Akkus

Mit dieser Entwicklung ist es den Forschern gelungen, 1.000 Lade-Entladezyklen mit einem Lithium-Schwefel-Akku zu erreichen, der dann noch 70 Prozent seiner Kapazität besaß. Damit besitzt der Akku eine Lebensdauer, die durchaus marktreif wäre. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Li-Ionen soll die Energiedichtes des Akkus fünfmal höher sein.

Derzeit wird weltweit an Lithium-Schwefel-Akkus geforscht, da sie mehr Energie speichern können als herkömmliche Li-Ion-Akkus. Darüber hinaus ist Schwefel billig und leicht verfügbar. Wann diese Akkus marktreif sind, ist noch unklar.