Über 1000 km Reichweite: Forscher entwickeln weltweit effizienteste Lithium-Schwefel-Batterie

Eine attraktive Leistung, kombiniert mit niedrigen Herstellungskosten, reichlich vorhandenen Rohstoffen und einem kleineren ökologischen Fußabdruck. Das klingt vielversprechend und könnte das Elektroauto-Image in naher Zukunft ordentlich aufpolieren. Forschern der Monash University ist es gelungen die weltweit effizienteste Lithium-Schwefel-Batterie (Li-S-Batterie) herzustellen. Die Batterie ist um das Vierfache effizienter als Erzeugnisse der bisherigen Marktführer. Den Schlüssel für die neue Super-Batterie lieferte eine Brückenarchitektur aus den 1970er Jahren, die bei der Verarbeitung von Waschmittel erstmals aufgezeichnet wurde.

Die Forscher der Monash-University zeigen ihrer Li-S-Batterie: Prof. Matthew Hill, Dr. Mahdokht Shaibani und Prof. Mainak Majumder (v.l.). Bildrechte: Monash University

Li-S-Akkus haben Zukunftspotential

Die neuen Lithium-Schwefel-Akkus können nicht nur Elektroautos beflügeln, sondern auch Smartphone-Akkus eine Lebensdauer von fünf Tagen bescheren. Zudem bieten die neuen Super-Batterien eine hohe Energiedichte und Ladekapazität. Auch der zur Herstellung benötigte Schwefel ist günstig und massenhaft verfügbar. Weiterhin sind Lithium-Schwefel-Verbindungen im Unterschied zu Lithium-Ionen-Akkus, die Kobaltverbindungen enthalten, ungiftig.

„Die erfolgreiche Herstellung und Implementierung von Li-S-Batterien in Autos und Stromnetzen wird einen größeren Teil der geschätzten Wertschöpfungskette von 213 Milliarden Dollar an australischem Lithium einnehmen und den australischen Fahrzeugmarkt revolutionieren und allen Australiern einen saubereren und zuverlässigeren Energiemarkt bieten“, erklärt Professor Majumder. Zusammen mit dem außerordentlichen Professor Matthew Hill und Dr. Mahdokht Shaibani hat Professor Majumder es geschafft, die bislang eher instabilen Lithium-Schwefel-Batterien zu verbessern. Für das Herstellungsverfahren wurde bereits ein Patent unter der Listung (PCT/AU 2019/051239) eingereicht. Die weltgrößten Hersteller von Lithiumbatterien in China und Europa haben bereits Interesse an der neuen Super-Batterie bekundet und möchten das Produkt hochskallieren und auf den Markt bringen. Noch müssen jedoch weitere Tests durchgeführt werden. Dennoch ist sich Professor Mainak Majumder sicher, dass die Entwicklungen seines Forscherteams für Li-S-Batterien einen Durchbruch bedeuten und die Art und Weise der Herstellung von Telefonen, Autos, Computer und Solaranlagen in der Zukunft wesentlich verändern.

Der Prototyp wurde in Dresden entwickelt

Die Prototypenzellen wurden von den deutschen F&E-Partnern Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden hergestellt. „Dieser Ansatz begünstigt nicht nur hohe Leistungskennzahlen und eine lange Lebensdauer, sondern ist auch einfach und extrem kostengünstig in der Herstellung mit wasserbasierten Verfahren und kann zu einer erheblichen Reduzierung von umweltgefährdendem Abfall führen“, ergänzt Professor Hill.

Das Fraunhofer-Institut für Material- und Strahltechnik in Dresden ist eine weltweite Anlaufstelle für Forscher mit dem Schwerpunkt Li-S-Batterien. Bereits 2012 hat das Institut einen internationalen Workshop für Akkutechnik veranstaltet. Dieser etablierte sich bereits zu einer festen Größe und wird einmal im Jahr ermöglicht. 2016 entsprang daraufhin der erste Prototyp einer Li-S-Batterie. Hierbei handelte es sich um den Vorläufer der nun entwickelten Hightech-Batterie, die durch die australischen Forscher zur Serienreife gebracht werden soll. „Lithium-Schwefel-Batterien sind nach wie vor die vielversprechendste Innovation für zukünftige Energiespeicher.“ erklärte Holger Althues, IWS Dresden, bereits 2016.

Lithium-Schwefel-Batterie-Zellen bestehen aus gestapelten Einzellagen von Elektroden und Separatoren. Bildrechte: Fraunhofer IWS

Ladezyklen müssen noch gesteigert werden

Auch wenn die Nachrichten um die neue Lithium-Schwefel-Batterie viel Euphorie wecken, wird das Ganze noch ein wenig von der relativ geringen Haltbarkeit getrübt. Ungefähr 200 Ladezyklen steht der aktuelle Prototyp, ohne großen Leistungsverlust, durch. Das ist bereits ein Meilenstein im Vergleich zu bisherigen Verbindungen. Für die hochskallierbare Marktreife müssen die Ladezyklen jedoch noch auf einige Tausend angehoben werden.

Das Hauptproblem bei Lithium-Schwefel-Batterien besteht darin, dass sich die Kathode während des Entladens um knapp 80 Prozent ausdehnt. Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien beträgt der Ausdehnungsfaktor lediglich 10 Prozent. Wird die Lithium-Schwefel-Batterie wieder aufgeladen, schrumpft die Kathode entsprechend. In der Folge dieses Prozesses wird die Stabilität der Elektrodenmaterialien nach und nach zerstört. Das wiederrum wirkt sich negativ auf die Ladekapazität aus. Den Forschern rund um Mainak Majumder ist es jedoch gelungen die aus Schwefel und Kohlenstoff bestehende Kathode mit Carboxymethylcellulose als Bindemittel zu stabilisieren.

Das Bindemittel sorgt nun dafür, dass die Materialien in der Kathode auch im ausgedehnten Zustand über kleine Brücken miteinander verbunden blieben. Das konnte im Rasterelektronenmikroskop beobachtet werden. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die neue Lithium-Schwefel-Batterie eine spezifische Kapazität von 1200 Milliamperestunden pro Gramm erreicht. Das entspricht dem Vielfachen konventioneller Lithium-Ionen-Batterien.

Quelle: Link zur Studie