Schwefel im Akku

Schwefel ist nicht nur billig und häufig, ein Schwefelatom kann in der Kathode auch gleich zwei Lithium-Atome binden und wieder abgeben. In herkömmlichen Kathoden wird nur ein Lithium-Atom an ein Kobalt- und zwei Sauerstoffatome gebunden, die zusammen die dreifache Masse eines Schwefelatoms haben. In der Theorie lässt sich damit die Kapazität eines Akkus vervielfachen.

In der Praxis gibt es aber erhebliche Probleme. So wurde Anfang 2020 ein Akku mit dieser Technik vorgestellt, der aber nur eine Kapazität von 120 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) hatte. Die Angabe fand sich weder in den Pressemeldungen der Universität noch im Text des Papers, sondern nur im Anhang. Das ist weniger als die Hälfte der Kapazität eines aktuellen Lithium-Ionen-Akkus - und es ist nicht das einzige Problem mit dieser Technik.

Die positive Schwefelkathode schwillt um 80 Prozent an, wenn sie die Lithium-Ionen beim Entladen des Akkus aufnimmt. Je dicker die Kathode ist, desto größer werden die dabei auftretenden mechanischen Kräfte, die drohen, das Kathodenmaterial auseinanderzureißen. Erschwerend kommt hinzu, dass der Schwefel mit Graphit gemischt werden muss, weil der Schwefel allein keinen Strom leitet. Um die Standkraft der Kathode zu verbessern, haben die Forscher nicht nach neuen Stoffen gesucht, sondern ein Bindemittel entwickelt, mit dem die Lebensdauer der Kathode bei langsamen Lade- und Entladezyklen auf 200 Zyklen verlängert werden konnte.

Lithium-Schwefel-Akkus brauchen leichtere Anoden

Das war ein großer Fortschritt. Denn die gleiche Technik könnte auch auf der Seite der negativen Anode angewendet werden, die das Lithium beim Laden des Akkus aufnimmt. Das Volumen der heute gebräuchlichen Graphit-Anoden nimmt beim Ladevorgang nur wenig zu, so dass die Anode nicht zu bröckeln droht. Aber es sind etwa 10 Gramm Graphit nötig, um ein Gramm Lithium aufzunehmen - und das Graphit macht etwa die Hälfte des Gewichts des Akkus aus. Anoden aus Silizium hätten theoretisch die zehnfache Kapazität, schwellen dabei aber um das Vierfache an und zerstören sich selbst. Ohne bessere Anoden sind Lithium-Schwefel-Akkus aber kaum zu gebrauchen.

Lithium-Schwefel-Akkus haben nämlich noch ein Problem, das nicht umgangen werden kann. Sie haben mit 2 Volt nur die halbe Spannung der herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Die Spannung ist ein Maß dafür, wie viel Energie die Elektronen eines Lithium-Atoms im Akku speichern und wieder abgeben können. Die Technik verdoppelt also notwendigerweise den Lithium-Verbrauch pro kWh. Doppelt so viel Lithium bedeutet aber auch, dass die Anode im geladenen Akku die doppelte Menge Lithium aufnehmen muss. Eine doppelt so große Graphit-Anode wäre aber auch doppelt so schwer und und würde so alle Gewichtseinsparungen der Kathode zunichtemachen.

Eine höhere Speicherkapazität hat solch ein Akku also nur, wenn die Lithium-Speicherung in der Anode mit deutlich weniger Gewicht als bisher auskommt.