Schwefel ist ein problematisches Kathodenmaterial

Schwefel leitet fast keinen Strom, er muss aber den Strom beim Laden und Entladen des Akkus zur Trägerfolie aus Aluminium weiterleiten. Außerdem führt die Aufnahme von Lithium beim Entladen des Akkus dazu, dass sich das Volumen des Schwefels um 80 Prozent vergrößert. Durch die Volumenänderung bilden sich Risse im Material und die Schwefelkathode zerfällt. Das ist besonders bei großen Schwefelkristallen zu erwarten. Deshalb wird der Schwefel normalerweise in kleinen Poren von Kohlenstoffstrukturen, die den Strom leiten und den Zerfall verhindern, eingeschlossen.

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Laut Slavik reichen hingegen freistehende Schwefelkristalle mit offenen Strukturen, die Platz für das zusätzliche Volumen bieten sollen. Belege, dass diese Strukturen erzeugt werden können und die behaupteten Eigenschaften für Hunderte oder Tausende Ladezyklen behalten, gibt es vom Unternehmen nicht. Kohlenstoffröhrchen sollen als Kristallisationspunkt des Schwefels dienen. Sie sind stromleitend, aber der Schwefel leitet den Strom nicht an die Oberfläche der Kristalle weiter, wo die Reaktion mit dem Lithium stattfindet.

Dafür soll ein stromleitendes Elektrolyt aus einem Polymer dienen, das im Kontakt mit Schwefel durch Bestrahlung mit Laser oder Gammastrahlung stromleitend wird. In herkömmlichen Akkus wird stattdessen feines Kohlenstoffpulver verwendet, das jedoch keinen vollständigen Kontakt gewährleistet. Das flüssige Elektrolyt soll hingegen auch in Mikroporen eindringen und dorthin Strom leiten können. Die Technik müsste getestet und demonstriert werden.

Perfekte Sperrschicht

Außerdem muss ein Separator erzeugt werden, eine nicht-stromleitende Schicht zwischen Kathode und Anode, die dennoch durchlässig für Lithium-Ionen ist. Denn sonst fließt Strom zwischen Anode und Kathode durch einen Kurzschluss im Akku und nicht, wie es sein muss, außen durch die Anschlüsse am Akku. Dabei darf der Separator nicht nur selbst keinen Strom leiten, sondern muss auch verhindern, dass beim Laden des Akkus von Seite der Anode Lithiummetallnadeln wachsen und die Sperrschicht durchdringen.

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Das würde einen Kurzschluss mit der Kathode verursachen, bei dem sehr viel Wärme frei wird und der Akku förmlich explodieren kann. Deswegen werden in heute verkauften Lithium-Ionen-Akkus reine Metallanoden vermieden und das Lithium stattdessen in Graphit oder Silizium gespeichert. Cuberg und SES haben viele Jahre Forschungsarbeit allein mit diesem einen Problem verbracht.

Noch dazu gibt es das Problem des Polysulfid-Shuttle-Effekts. Reiner Schwefel ist im Elektrolyt unlöslich, ebenso wie reines Lithiumsulfid (das Produkt des Entladevorgangs im Akku). Das ist gut so, denn sonst gelangt Material der Kathode zur Anode, transportiert dabei elektrische Ladungen und der Akku entlädt sich selbst. Es entstehen beim Entladevorgang aber Zwischenprodukte, Polysulfide, die sich im Elektrolyt auflösen, frei beweglich werden und dieses Problem verursachen.

Graphenschichten gegen Shuttle-Effekt

Slavik will die Polysulfide mit einer zusätzlichen Schicht aus Graphen und darauf aufgebrachten Metallatomen als Katalysator chemisch in eine unlösliche Form verwandeln. In der Forschung ist dieser Ansatz bekannt. Aber auch hier fehlt der Nachweis, dass die konkrete Technik für kommerzielle Anwendungen ausreichend gut funktioniert und sich entsprechend verarbeiten lässt. Die Vielzahl der unterschiedlichen zu lösenden Probleme ist der Grund, weshalb noch immer kein Lithium-Schwefel-Akku die Marktreife erreicht hat.

Allein an der Lösung des Problems der Lithiumnadeln stecken bei SES wenigstens zehn Jahre Arbeit bis zur Kommerzialisierung - ganz ohne ein nur lokal stromleitendes Elektrolyt mit Lasern oder anderer Strahlung erzeugen zu wollen oder Graphenschichten zur Eindämmung des Polysulfid-Shuttle-Effekts. Theion könnte also nicht einmal deren Forschungsergebnisse übernehmen, wenn sie darauf Zugriff hätten.

Für das Funktionieren der Elektrolyttechnik fehlt auch jeglicher Beleg durch die Firma, insbesondere für die durch Laser- oder Gammastrahlung ermöglichte Stromleitung mit Elektronen im Elektrolyt. Das Unternehmen sucht derzeit nach Experten für Photonik, was nahelegt, dass es die Technik noch nicht beherrscht. Das müsste sich nun aber sehr schnell ändern.

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