Forschungsfortschritte bei Lithium-Schwefel-Batterie

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Autor: Maximilian Geilen

Veröffentlicht am: 10.01.2019

Die Monash-University in Melbourne meldet interessante Fortschritte bei der Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien. Lithium-Schwefel-Batterien könnten dabei eine Wende im Grundaufbau der Traktionsbatterie bedeuten, da diese im Gegensatz zur Lithium-Ionen-Batterie potenziell günstiger, leichter und vor allem ökologischer sind und zudem eine deutlich höhere Energiedichte aufweisen.

Trotz der vielen Vorteile scheiterte der Markterfolg der Technologie jedoch bisher am relativ instabilen chemischen Aufbau. Bisher hergestellte Zellen zersetzten sich zumeist schon nach wenigen Ladezyklen. Grund für die geringe Stabilität ist die Kathode der Li-S-Zelle, die aus Schwefel und Kohlenstoff besteht und sich beim Entladen um ca. 80% ausdehnt, während es bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien ca. 10% sind. Diese sehr ausgeprägte Form der Zellatmung verstärkt den Verschleiß der Kathode enorm. Der Zusammenhalt der Elektrodenmaterialien und damit auch die Ladekapazität werden nach kurzer Zeit zerstört. Für dieses Problem fand nun ein Forscherteam der Monash-University in Melbourne in Zusammenarbeit mit dem Dresdener Fraunhofer IWS Institut, wo der Prototyp einer neuartigen Li-S-Zelle entstand, eine interessante Lösung. Mittels des Einsatzes von Carboxymethylcellulose als Bindemittel schafften es die Forscher die Kathode zu stabilisieren. Die auf dieser Basis gefertigten ersten Prototypen mit einer Kathodenzusammensetzung von 70 % Schwefel, 20 % Kohlenstoff und 10 % Carboxy-methylcellulose. Durch den Einsatz des Bindemittels blieben die Materialien in der Kathode auch im ausgedehnten Zustand über chemische Brücken miteinander verbunden und es konnten so eine Beständigkeit von 200 Zyklen erreicht werden.

Obwohl die Energiedichte der Prototypen von 1200 Ah pro Gramm ca. der dreifachen heutigen Lithium-Ionen-Batterien Energiedichte entspricht und große Fortschritte bei der Lebensdauer erreicht wurden, ist die Zyklenbeständigkeit der Li-S-Zelle aktuell immer noch weit von einer Industriereife entfernt.

Quellen:

https://www.zeit.de/wissen/2020-01/energiewende-lithium-schwefel-akku-leistung-forschung-nachhaltigkeit-preis

https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/durchbruch-bei-lithium-schwefel-batterien/

https://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/news/2020/mehr-stabilitaet-fuer-lithium-schwefel-batterien/

https://www.mdr.de/wissen/faszination-technik/lithium-schwefel-akkus-zukunft-e-auto-100.html