Der Teufel steckt im Detail – Neue Forschungsergebnisse zur Lithium-Schwefel Batterie

Autor: Matthias Augustin

Veröffentlicht am: 31.01.2020

Die Suche nach neuen Batteriematerialien mit höheren Leistungseigenschaften beschäftigt schon länger die weltweite Forschungslandschaft. Fast täglich werden irgendwo neue Erfolgsmeldungen in der Zellentwicklung verkündet. Eine diesbezüglich insbesondere in der letzten Zeit häufig genannte Entwicklung ist die der Lithium-Schwefel-Batterie. Während australische Forscher durch neue Materialien für die Schwefel-Kathode einen Schub in der Zyklisierbarkeit erreichten (Battery News berichtete hierzu), kündigte die britische Firma Oxis Energy Ltd. fast zeitgleich eine Steigerung der Energiedichte der eigenen Prototypen an.

Eines der einschränkenden Hindernisse für die Anwendbarkeit von Lithium-Schwefel-Batterien ist das sogenannte Polysulfid-Shuttle während der Zyklisierung. Bei diesem entstehen neben den gewünschten chemischen Produkten in der Batterie auch Nebenprodukte (Polysulfide). Diese reagieren wiederum mit dem für die Zyklisierung benötigten Schwefel weiter, wodurch dieser für die Entlade- und Ladereaktionen nicht mehr zur Verfügung steht. Somit ist das Polysulfid-Shuttle maßgeblich daran beteiligt, dass die theoretisch mögliche Energiedichte der Lithium-Schwefel-Batterie von 2600 Wh/kg auf lediglich 350 Wh/kg in der praktischen Anwendung sinkt. Dieser Wert wurde nun von der Firma Oxis Energy Ltd. mit der Ankündigung übertroffen, noch innerhalb diesen Jahres Prototypen von Lithium-Schwefel-Batteriezellen mit einer Energiedichte von 500 Wh/kg zu testen. Diese Ankündigung beruht höchstwahrscheinlich auf einer Anpassung des Elektrolyten, um so die Löslichkeit der Polysulfid-Nebenprodukte zu verringern und damit die Polysulfid-Diffusion zum Schwefel in der Kathode zu unterbinden.

Eine weitere Schwäche der Lithium-Schwefel-Batterien ist ihre geringe Zyklenstabilität – ebenfalls durch das sogenannte Polysulfid-Shuttle beeinflusst. Ein ebenso großer Faktor hierfür ist jedoch die Volumenexpansion und ‑kontraktion des Kathodenmaterials durch die Entlade- bzw. Ladereaktion. Da für eine praktische Anwendung der Lithium-Schwefel-Batterie genug Kathodenmaterial zur Lithium-Einlagerung vorhanden sein muss, um genügend hohe Kapazitäten zu erreichen, führt diese ständige Volumenänderung von bis zu 78% auf Dauer zum Zusammenbruch der Elektrodenstruktur. Durch die Überbeanspruchung des polymeren Binders zwischen den Feststoff-Partikeln der Elektrode wird dieser mit der Zeit überdehnt. Es resultiert ein stetig fortschreitender Zusammenbruch der Kathodenstruktur und damit – durch den immer geringer werdenden Raum für die diffundierenden Lithium-Ionen – eine stark abnehmende Kapazität.

Für die Herstellung der verbesserten Kathoden benutzten die australischen Forscher um Mahdokht Shaibani vom Department of Mechanical and Aerospace Engineering der Monash University in Clayton, Australien anstelle eines linear aufgebauten Moleküls einen makromolekularen Polymerbinder, d.h. ein sich durch chemische Reaktionen selbst kreuzvernetzendes Bindermaterial,. Hierdurch wird in der Kathode genügend Platz für Lithium-Ionen-Diffusion und -Einlagerung geschaffen, was die Volumenausdehnung verringert. Des Weiteren ist das eigentliche Kathodenmaterial durch den kreuzvernetzten Binder und die größeren Zwischenräume flexibler und kann damit eventuell auftretende Volumenveränderungen besser verkraften. Mit dieser verbesserten Kathode erreichten die Wissenschaftler mehr als zweihundert stabile Zyklen mit dem zweifachen des benötigten Schwefelgehalts (15 Milligramm pro Quadratzentimeter) in der Kathode. Zum Vergleich: Als Erfolg wurden bisher bereits mehr als einhundert stabile Zyklen bei einem Schwefelgehalt von weniger als 1,5 Milligramm pro Quadratzentimeter gefeiert.

Das eigentlich Sensationelle an dieser Entwicklung ist jedoch, dass sie nicht nur für die Kathodenseite von Lithium-Schwefel-Akkus einen geeigneten Lösungsansatz bietet, sondern auch für eine andere sehr schwerwiegende Hürde in der Batterieentwicklung hilfreich sein kann. Denn Volumenexpansion ist auch ein bekanntes Problem, das die Entwicklung von vielversprechenden hochkapazitiven Silizium-Anoden für Lithium-Ionen-Batterien seit Jahren zurückwirft.

Diese Neuigkeiten zeigen das Potential der Lithium-Schwefel-Batterie als kostengünstigere sowie schwermetalllose Alternative für Lithium-Ionen-Batterien. Außerdem ist es gut möglich, dass die Forschung an flexibleren Bindermaterialien für Lithium-Schwefel-Batterie-Kathoden der Entwicklung von Silizium-Anoden für Lithium-Ionen-Batterien zugutekommt. Diese Anoden sind selbst Gegenstand eifriger Untersuchung, da durch ihren Einsatz die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterien – und damit z.B. die Reichweite von Elektroautos – sprunghaft ansteigen würde.

Quellen:

https://www.prnewswire.com/news-releases/oxis-energy-is-close-to-achieving-500whkg-and-is-targeting-600whkg-with-solid-state-lithium-sulfur-technology-300990184.html

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

https://advances.sciencemag.org/content/6/1/eaay2757/tab-pdf

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2019.00123/full#h4