Akku: Haltbarere Kathoden und Anoden für Lithium-Schwefel-Akkus
Lithium-Schwefel-Akkus sind leistungsfähiger und günstiger als die herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Bisher haben sie jedoch nur eine geringe Lebensdauer. Der Einsatz neuer Materialien soll das ändern.
Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik(öffnet im neuen Fenster) (IWS) haben andere Materialien für Anode und Kathode verwendet: Die Anode haben sie aus einer Silizium-Kohlenstoff-Verbindung hergestellt, die sich weniger verformt als eine herkömmliche aus metallischem Lithium. Verformt sich die Anode, vermischt sich das Material mit dem flüssigen Elektrolyt und die Flüssigkeit zersetzt sich – der Akku trocknet aus. "Im Extremfall 'wächst' die Anode bis zur Kathode und sorgt mit einem Kurzschluss für den vollständigen Zusammenbruch der Batterie" , erklärt Holger Althues vom Fraunhofer IWS(öffnet im neuen Fenster) .
Kathode aus Schwefel
Die Kathode eines Schwefel-Lithium-Akkus besteht aus Schwefel. Da das Element in großen Mengen vorhanden ist, ist es günstig – anders als der seltene Kobalt, aus dem die Kathode eines Lithium-Ionen-Akkus zu großen Teilen besteht. Der Nachteil ist jedoch, dass der Schwefel mit dem Elektrolyt reagiert, wodurch der Akku an Kapazität verliert.
Doch auch dafür haben die Dresdner eine Lösung gefunden: Poröser Kohlenstoff verlangsamt den Prozess. "Wir haben die Poren der Kohlenstoffe exakt angepasst, damit sich der Schwefel dort einlagern kann und sich langsamer mit dem Elektrolyt verbindet" , erzählt Althues. Die Forscher haben ein entsprechendes Herstellungsverfahren entwickelt.
Der am Fraunhofer IWS entwickelte Lithium-Schwefel-Akku sei schon deutlich haltbarer als bisherige Akkus mit dieser Technik: Ihre Lithium-Schwefel-Knopfzellen hätten 1.400 Ladezyklen durchgehalten. "Bisher kam man bei Tests kaum über 200 Zyklen hinaus" , sagt Althues.
Energiedichte von 600 Wh/kg
Lithium-Schwefel-Akkus könnten unter anderem die Elektromobilität vorantrieben. Hohe Kosten und eine begrenzte Reichweite gelten als Gründe für fehlende Akzeptanz. Lithium-Schwefel-Akkus sind nicht nur günstiger als die derzeit in Elektroautos verbauten Lithium-Ionen-Akku. Sie sind auch leistungsfähiger: Lithium-Ionen-Akkus haben derzeit eine Energiedichte von höchstens 250 Wh/kg. Bei Lithium-Schwefel-Akkus soll eine Energiedichte von 600 Wh/kg möglich sein. "Mittelfristig realistisch sind eher Zahlen um 500 Wh/kg. Das heißt, man kann bei identischem Batteriegewicht doppelt so weit fahren" , erklärt Althues.
Für die Akkutechnik interessierten sich aber auch andere Branchen: Smartphones beispielsweise könnten damit leichter werden.