Lithium-Ionen-Akkus u.a.m. Zukunft tragbarer Energiequellen

Neuartige Elektrolyten ermöglichen deutlich kürzere Ladezyklen

Viele weitere Forscher konzentrieren sich auf den möglichen Einsatz von Nanomaterialien (10–9 m oder nm), um die Beweglichkeit der Ionen durch Elektroden und Elektrolyte zu verbessern. Südkoreanische Wissenschaftler der Pohang-Universität zum Beispiel haben einen Akku aus kürbisförmigen, wabenähnlich angeordneten Molekülen entwickelt, die als Festelektrolyt verwendet werden können. Durch diese Moleküle läuft ein dünner Kanal mit 75 nm Durchmesser. Dadurch wird den Lithium-Ionen ermöglicht, sich viel freier auszubreiten als im herkömmlichen Elektrolyt (Bild 2). In Tests mit porösen Elektrolyten konnte bereits eine etwa dreimal höhere Leitfähigkeit der Lithium-Ionen als mit üblichen, gewerblichen Festelektrolyten festgestellt werden.

Ein weiteres Beispiel für Nanotechnologie zur Verbesserung von Li-Ionen-Akkus kommt aus dem Massachusetts Institute of Technology (MIT). Die MIT-Wissenschaftler Byoungwoo Kang und Gerbrand Ceder behaupten, dass ein Akku mit Nanoball-Elektroden ca. 100-mal schneller aufgeladen werden kann als normale Li-Ionen-Akkus. Ein Smartphone wäre demnach in 10 s aufgeladen. Die 50 nm großen Lithium-Eisenphosphat-Bälle steigern die Mobilität der Ionen drastisch. Mit einer dünnen Lithium-Phosphat-Schicht auf den Bällen konnten die MIT-Wissenschaftler den Prozess noch weiter beschleunigen.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnten heute schon in Smartphone-Akkus im Einsatz sein. Die genaue Zusammensetzung der meisten positiven und negativen Elektroden ist zwar aktuell ein Betriebsgeheimnis, doch der Level an kommerziell hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhrchen lässt darauf schließen, dass Li-Ionen-Akkus bereits von ihren Vorteilen profitieren. Kohlenstoff-Nanoröhrchen verfügen über eine größere Oberfläche, eine höhere Leitfähigkeit und eine bessere mechanische Stabilität als Kohlenstoff. Andere Entwicklungen indes wollen den Kohlenstoff ganz weglassen und ihn mit Silizium- oder Germanium-Nanodrähten ersetzen, welche die Oberfläche der negativen Elektrode vergrößern. Das wiederum würde die Mobilität der Lithium-Ionen erhöhen und zudem mehr Ladezyklen ermöglichen.

Üblicherweise erhöht Nanostrukturierung das Oberfläche-Volumen-Verhältnis, das wegen der größeren elektromechanisch aktiven Oberfläche und der reduzierten Ionen-Transportlänge sowohl die Energie- als auch die Leistungsdichte verbessert. Die Schattenseite ist, dass Nebenreaktionen zwischen der Elektrode und dem Elektrolyt auftreten und sich negativ auf die Selbstentladung, die Ladezyklenfestigkeit und die Haltbarkeit der Elektroden auswirken.

Erste Akkus mit Nanomaterialien haben eine viel höhere Energiedichte als die der handelsüblichen Batterien erreicht, doch die vorhandenen Materialien sind noch teuer und die Umsetzung des Herstellungsprozesses auf industrieller Ebene gestaltet sich schwierig.

Die Zukunft des Lithium-Akkus

Der Lithium-Schwefel-Akku (Li-S) bringt alle Entwicklungsstränge aktueller Li-Ionen-Akkus zusammen. Er nutzt die Vorteile in der Materialentwicklung, der dreidimensionalen Elektroden und des Nanomaterials, um aktuelle Li-Ionen-Produkte zu verbessern. Entwicklungsschwerpunkt sind dabei Akkus für elektrische Fahrzeuge. Darüber hinaus soll diese Technologie so optimiert werden, dass sie auch für tragbare Produkte wie Smartphones geeignet ist.

Die Anode für Li-S-Akkus besteht aus einer hauchdünnen Lithiumschicht, während die Kathode aus aktivem Schwefel mit Lithium-Oxid (Li₂O₂) besteht. Der Grund für das große Interesse an dieser Technologie ist die maximale Energiedichte. Heute erzeugen Li-Ionen-Akkus etwa 200 Wh/kg und erreichen ihre theoretische Höchstgrenze bei etwa 320 Wh/kg. Bei Li-S-Akkus hingegen liegt die theoretische Höchstgrenze bei ca. 500 Wh/kg. Ihr Hauptvorteil beruht darauf, dass der Schwefel zwei Li-Ionen binden kann, während dieser Kennwert bei herkömmlichen Materialien noch bei 0,5 bis 0,7 liegt.

Im Gegensatz zu Li-Ionen-Zellen müssen Lithium-Ionen bei Li-S-Akkus nicht in Elektroden aufgenommen oder von diesen entfernt werden, um Strom zu erzeugen. Li-S bedient sich vielmehr einer Reihe von Löslichkeitsprozessen. Dabei wird der Schwefel elektrochemisch reduziert und in Polysulfid-Ketten mit unterschiedlichen Längen als Zwischenerzeugnisse umgewandelt – z.B. Li2S8, Li2S6, Li2S4 und Li2S2. Mit dem erwähnten Reduktionsprozess können Zellpotenziale zwischen 1,7 und 2,5 V erzeugt werden (Bild 3).

Das von der Europäischen Union geförderte Projekt „Advanced Lithium Sulphur Batteries for Hybrid Electric Vehicle“ (ALISE) stützt sich auf 15 Partner aus Wirtschaft und Forschung. Zielsetzung bis 2019 ist die Entwicklung eines Li-S-Akkus mit 500 Wh/kg – und zunächst mal für Applikationen in Elektrofahrzeugen. Laut der Organisation soll die Batterie nach 2000 Ladezyklen noch immer etwa 80 % ihrer festgelegten Kapazität speichern können. Die entscheidende Herausforderung ist das Auflösen der Polysulfide im Elektrolyt, die beim Aufladen nicht wieder zu Elementarschwefel oxidieren dürfen. Zusätzlich erfährt die positive Elektrode durch das Absorbieren der Lithium-Ionen große volumetrische Ausdehnungen. All diese Probleme wollen die Projektteilnehmer mit der Erforschung neuer Elektroden- und Elektrolyte-Materialien gezielt angehen.

Einen wichtigen Beitrag hierzu könnte das Lawrence Berkeley National Laboratory in den Vereinigten Staaten liefern, das bereits eine nanostrukturierte positive Elektrode entwickelt hat. Diese besteht aus Nanokomposit-Schwefel-Grafitoxid, das von einem elastischen Polymerbindemittel zusammengehalten wird und offenbar das Problem der volumetrischen Ausdehnung beseitigt (Bild 4).