Akkutechnik: Lithium-Schwefel-Akku mit 700 Wh/kg in China vorgestellt
Die chinesische Firma General New Energy hat den Prototyp einer Lithium-Schwefel-Akkuzelle(öffnet im neuen Fenster) mit einer Energiedichte von 701,8 Wh/kg vorgestellt, was mehr als der doppelten Energiedichte herkömmlicher NMC-Akkus entspricht. Die Zelle hat ein Gewicht von 67,8 Gramm und eine Kapazität von 22,5 Amperestunden (Ah) bei einem Energiegehalt von 47,4 Wh und einer Nominalspannung von 2,1 V. Sie ist für den Einsatz in Drohnen vorgesehen. Über die Lebensdauer der Akkuzellen wird nichts gesagt, sie ist bei einigen Anwendungen im militärischen Bereich jedoch eher zweitrangig.
Auch andere Unternehmen arbeiten an Lithium-Schwefel-Akkus. So stellte am Montag die australische Firma Lis-Energy(öffnet im neuen Fenster) Ergebnisse ihrer Entwicklung vor, denen zufolge die Zellen im ersten Entladevorgang rund 500 Wh/kg erreichten(öffnet im neuen Fenster) und in den anschließenden Ladezyklen noch etwa 450 Wh/kg. Die Akkus von LiS-Energy sollen hauptsächlich in Luftfahrtanwendungen zum Einsatz kommen. 450 Wh/kg entsprechen auch älteren Angaben zur Energiedichte auf der Webseite von General New Energy(öffnet im neuen Fenster) .
An Lithium-Schwefel-Akkus wird schon lange gearbeitet , weil sie die theoretisch beste Materialkombination für geschlossene Lithium-Akkus darstellen.
Selbst 700 Wh/kg entsprechen nur etwa 27 Prozent der – unerreichbaren – theoretischen Energiedichte des reinen Kathodenmaterials aus Lithium und Schwefel von 2.600 Wh/kg. Vergleichbare Angaben für LFP (Lithium-Eisenphosphat) liegen bei rund 500 Wh/kg und für NMC-Kathoden (Nickel-Mangan-Cobalt) bei 700 bis 800 Wh/kg. Besser können in der Theorie nur Zellen sein, die Sauerstoff als Reaktionspartner nutzen, den sie vorzugsweise aus der Luft beziehen.
Schwierige Akkuentwicklung mit Schwefel
Die Entwicklung von Lithium-Schwefel-Akkus scheiterte lange Zeit vor allem daran, dass sich in der Schwefel-Kathode kein Lithium befindet und stattdessen Lithium als Metallfolie in der Anode bereitgestellt werden muss. Das wurde inzwischen mit Festkörperakkus und ähnlichen Techniken realisiert. Andere Probleme waren die fehlende elektrische Leitfähigkeit des Schwefels und die Volumenausdehnung, wenn Schwefel beim Entladen des Akkus mit Lithium reagiert.
Der Schwefel wird deshalb in eine Kohlenstoffstruktur eingebettet, die sowohl den Strom leitet als auch verhindert, dass die Kathode durch die Volumenausdehnung auseinanderfällt. Das nächste Problem war der sogenannte Shuttle-Effekt.
Viele Lösungsansätze für schwierige Probleme
Beim Entladen der Kathode entstehen Lithium-Polysulfide, als Zwischenstufen zwischen reinem Schwefel und reinem Lithiumsulfid, die im Elektrolyt löslich sind und anschließend Ladungen im Inneren des Akkus zwischen Kathode und Anode transportieren können, statt nur über die elektrischen Anschlüsse. Dadurch wird nicht nur das Laden des Akkus ineffizient und erzeugt mehr Wärme, der Akku kann sich anschließend auch selbst entladen. Um dieses Problem zu lösen, gibt es verschiedene Ansätze, etwa das Abfangen der Polysulfide durch Katalysatoren oder durch sehr enge Kohlenstoffstrukturen.
Unter dem General-New-Energy-Chef Zhang Jiujun, der in Kanada studierte, sollen diese Probleme hinreichend gelöst worden sein, so dass die Konstruktion des Prototyps gelang, der nun in größeren Stückzahlen in Pilotanlagen produziert werden soll. Anders als etwa in Deutschland wird in China die Forschung und Entwicklung von Akkus sowohl in der Industrie als auch in Universitäten seit langem systematisch und nachhaltig gefördert, was zusammen mit dem breiteren Wissen aus der Ausbildung an internationalen Universitäten zur Technologieführerschaft Chinas führte.
Ein Ende der Entwicklung von Akkus mit höherer Energiedichte ist dabei auch mit 700 Wh/kg noch keinesfalls nahe.
Die doppelte Energiedichte ist möglich
Im Gegensatz zu anderen Akkutechniken können Lithium-Schwefel-Akkus über 700 Wh/kg hinaus erheblich verbessert werden. Kommerzielle Lithium-Ionen-Akkus mit Graphit-Anoden und LFP- und NMC-Kathoden erreichen etwa 40 Prozent des theoretischen Maximums.
Akkus ohne Graphit erreichen 60 bis 70 Prozent davon. Ihre Energiedichte kann darüber hinaus kaum noch verbessert werden. Der Rest der Masse besteht aus Elektrolyt, Bindemittel und leitendem Kohlenstoff, der die elektrische Verbindung sicherstellt, sowie dem Separator, dem Metall der Leiterfolien und der Ummantelung der Zelle.
Das gilt etwa für die von CATL vorgestellten NMC-Akkus mit 500 Wh/kg, die über 60 Prozent des theoretischen Maximums erreichten, und für einige Laborzellen mit experimentellen sogenanntem lithiumreichen NMC als Kathodenmaterial, die in einem Ladezyklus ebenfalls 700 Wh/kg schafften . Deren Kapazität ließ in weiteren Ladezyklen aber stark nach.
In dem Material werden die anionischen Reaktionen zwischen Lithium und dem Sauerstoff der Metalloxide in NMC-Kathoden ausgenutzt, um eine etwa 40 Prozent höhere Energiedichte als herkömmliches NMC zu erreichen. Die Prozesse führen bislang jedoch leicht zu einer schnellen Zerstörung der Kristallstruktur der Kathode.
Komplexe Konstruktion verringert Energiedichte
Die Konstruktion von Lithium-Schwefel-Akkus hat allerdings im Gegensatz zu NMC und LFP wegen der Kohlenstoffmatrix und der geringeren Materialdichte einige Nachteile. Der Kohlenstoff erhöht das Gewicht des Akkus genauso wie die etwa doppelt so große Menge Elektrolyt, um die Zwischenräume zwischen den Partikeln der Kathode zu füllen. So ist kaum zu erwarten, dass die praktische Energiedichte in der weiteren Entwicklung sehr viel mehr als etwa 50 Prozent der theoretischen Energiedichte erreichen wird, vielleicht noch 1.400 Wh/kg.
Im Gegensatz zu LFP und NMC benötigen die Akkus wegen der geringeren Spannung auch zumindest 50 Prozent mehr Lithium pro kWh. Die aktuelle chinesische Wirtschaftsschwäche führte jedoch zu unerwartet geringer Nachfrage nach Lithium, während die hohen Preise zwischen 2021 und 2023 zu einem starken Ausbau der Produktion führten, so dass der Rohstoff derzeit gut verfügbar ist.
Magnesium könnte billiger, kompakter, aber schwerer als Lithium sein
In Zukunft wird die Erfahrung im Umgang mit Schwefelkathoden auch zu Fortschritten in der bereits laufenden Entwicklung von Alternativen mit Natrium, Magnesium und Calcium an Stelle von Lithium führen. Die höhere Energiedichte, bezogen auf das Gewicht, machte Lithium jedoch – wie auch in anderen Akkus – kommerziell zunächst besonders interessant.
Dabei könnten vor allem Magnesium-Schwefel-Akkus attraktiv sein, in denen jedes Schwefelatom nur mit einem Magnesium-Ion statt mit zwei Lithium-Ionen reagiert. Das reduziert die Volumenausdehnung der Kathode und erhöht die Dichte des Materials, zumal auch die Anode aus Magnesium-Metall sehr viel kleiner als eine Lithium-Anode wäre. Mit einem theoretischen Maximum von rund 1.700 Wh/kg könnte so der Bau von kompakteren und billigeren Akkus möglich sein, die sehr langfristig der Marke von 1 kWh/kg auf Zellebene zumindest nahekommen könnten.
Zuvor müssen aber vor allem Probleme in der Entwicklung von Elektrolyten für Magnesium-Ionen-Akkus und der komplexeren Chemie von Stoffen mit zwei Valenz-Elektronen, etwa Magnesium, gelöst werden.
Natrium-Schwefel-Akkus haben durch das höhere Gewicht des Natriums, die größere Volumenausdehnung und die geringere Spannung insgesamt deutlich kleinere Vorteile gegenüber Natrium-Ionen-Akkus mit herkömmlichen Kathoden, als es bei Lithium-Akkus der Fall ist. Dadurch ist fraglich, ob sich der Aufwand lohnt, falls sich bei der Entwicklung von Lithium-Schwefel-Akkus kein besonders günstiges Herstellungsverfahren ergibt.