Li-Schwefel-Akkus: Weltweit stärkste Neutronenquelle hilft bei Akkuentwicklung
Am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)(öffnet im neuen Fenster) ist ein Experiment zur Optimierung von Lithium-Schwefel-Akkumulatoren vorbereitet und ausgewertet worden, das der vielversprechenden Batterietechnologie zum Durchbruch verhelfen soll. Durchgeführt wurde es am Institut Laue-Langevin(öffnet im neuen Fenster) in Grenoble, Frankreich, weil dieses über die stärkste Neutronenquelle der Welt verfügt. Diese kann den einzigartigen Blick auf die chemischen Abläufe auf atomarer Ebene bieten, weil zum Beispiel Lithium- und Wasserstoffatome eindeutig unterschieden werden können.
So ließ sich beobachten, wie sich der flüssige Elektrolyt in der Batteriezelle verteilt und wie er auf das Laden und Entladen reagiert. Ein entscheidender Punkt ist, dass eine vollständige Benetzung der Struktur stattfindet, weil es sonst zu Kurzschlüssen und Kapazitätsverlusten kommen kann.
Suche nach der höchsten Energiedichte
Die Lithium-Schwefel-Batterien, die hierbei in Form von Pouchzellen, also sehr platz- und gewichtsparend in Beutelform untersucht wurden, gelten als Kandidat für den Einsatz in der Luftfahrt, der Robotik und für maximale Reichweiten in Elektroautos. Theoretisch kann die Energiedichte dreimal so hoch werden wie bei den derzeit industriell eingesetzten Akkus.
Weil zudem auf Nickel und Cobalt verzichtet werden kann und stattdessen reichlich vorhandener Schwefel zum Einsatz kommt, ist die Technologie gleich doppelt interessant. Dafür muss aber möglichst wenig Elektrolyt verwendet werden, dessen Verhalten sich in einer abgeschlossenen Zelle nur schwer nachvollziehen lässt.
Tieferes Verständnis für Alterungsprozesse
Mithilfe der Neutronen aus dem Forschungsreaktor in Grenoble konnte beobachtet werden, dass die Benetzung in Ruhephasen gleichmäßiger wird. Längere Pausen verbessern die Verteilung jedoch nicht weiter. Bei den Lade- und Entladevorgängen erhöht sich die Homogenität innerhalb der Zelle. Die Kapazität der Batterie steigt dadurch.
Die leitende Autorin der Studie Yan Lu ist von der großen Bedeutung der Untersuchung überzeugt: "Diese Erkenntnisse werden dazu beitragen, die Energiedichte von Li-S-Batterien zu erhöhen und gleichzeitig ihre Lebensdauer zu erhalten." Die Studie wurde in Advanced Energy Materials(öffnet im neuen Fenster) frei zugänglich veröffentlicht.