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Batterieforschung : Schwefel befeuert den Power-Akku

Sorgen um den Rohstoff Schwefel muss man sich bei Lithium-Schwefel-Akkus wohl keine zu machen. Große Schwefelfelder befinden sich meist am Kraterrand aktiver Vulkane, wie hier am Ijen-Vulkan im Osten Javas. Bild: AFP

Ein weiterer Schritt in die E-Zukunft: Lithium-Schwefel-Akkus bieten klare Vorteile: Sie sind leicht, günstig und enorm leistungsfähig. Sorgen bereitet noch die geringe Stabilität des Stromspeichers.

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          Lithium-Schwefel-Akkus gelten als Hoffnungsträger unter den wiederaufladbaren Stromspeichern. Denn sie sind leicht und benötigen keine teuren Materialien. Vor allem besitzen sie eine deutlich höhere Kapazität und Energiedichte als die gängigen Lithium-Ionen-Batterien. Mit einem aufgeladenen Lithium-Schwefel-Akku könnten Elektroautos theoretisch doppelt so weit fahren wie heute und Smartphones und Laptops viel länger laufen. Allerdings hapert es noch bei der Stabilität. Der Grund: Die Schwefel-Elektrode zersetzt sich schon nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen, wodurch ein Lithium-Schwefel-Akku schnell unbrauchbar wird. Einer deutsch-australischen Forschergruppe ist es gelungen, dieses Manko zu beheben und so die Lebensdauer von Schwefel-Akkus deutlich zu erhöhen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Während in einem klassischen Lithium-Ionen-Akku die negative Elektrode typischerweise aus einer Metalloxid-Verbindung besteht, verwendet man bei einer Lithium-Schwefel-Batterie ein Gemisch aus Schwefel und Kohlenstoff als Kathodenmaterial. Beim Entladen der Batterie wandern Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode und reagieren dort mit dem Schwefel zu Lithiumsulfid. Beim Laden kehrt sich der Prozess um. Weil Lithium-Schwefel-Akkus bei gleichem Gewicht größere Mengen an Lithium-Ionen speichern können als Lithium-Ionen-Akkus, ist ihre Kapazität und Energiedichte höher.

          Doch Lithium-Schwefel-Akkus haben einen Schwachpunkt, und der beruht auf der geringen Stabilität der Kathode. Davon betroffen sind vor allem dickere Elektroden, die man bevorzugt in größeren Stromspeichern verwendet. Bei der wiederholten Aufnahme und Abgabe von Lithium-Ionen dehnt sich das Schwefel-Kohlenstoff-Gemisch um etwa 80 Prozent aus und zieht sich wieder zusammen. Dadurch entstehen schnell winzige Risse und Bruchstellen im Material. Schon nach wenigen Zyklen ist die Oberfläche der Kathode so lädiert, dass immer weniger Lithium-Ionen mit dem Schwefel reagieren können. Die Kapazität und die Leistung des Akkus sinken rapide.

          Bindemittel hält die Kathode elastisch

          Die Wissenschaftler um Mahdokht Shaibani von der Monash University in Australien und Holger Althues vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden haben einen Weg gefunden, wie sich die Haltbarkeit der negativen Elektrode verbessern lässt. Ihr Rezept ist ein Bindemittel auf Basis eines wasserlöslichen Polymers. Es hält die Schwefel- und den Kohlenstoffpartikeln der Kathode über Polymer-Brücken zusammen, wenn sich die Elektrode beim Ladevorgang ausdehnt und beim Entladen wieder zusammenzieht. Das Material bleibt so auch bei starker mechanischer Belastung elastisch.

          Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC) hat sich als das beste Bindemittel erwiesen. Es wird zusammen mit Schwefel und Kohlenstoff unter Zugabe von Wasser zu einem Brei verrührt und auf eine metallische Unterlage aufgetragen und glattgestrichen. Nach dem Trocknen ist die Kathode fertig. Die Oberflächen der im Labor hergestellten Elektroden zeigten bei einem Mischungsverhältnis von 70 Prozent Schwefel, 20 Prozent Kohlenstoff und zehn Prozent Natrium-CMC die geringsten Verschleißerscheinungen.

          Prototypen von Lithium-Schwefel-Akkus in Form von Pouchzellen.

          Die Forscher um Shaibani und Althues fertigten am Fraunhofer-Institut IWS in Dresden mit den dortigen Beschichtungsanlagen großflächige Kathoden und bauten daraus Lithium-Schwefel-Akkus in Form von Pouchzellen, eine weit verbreitete Bauform größerer Lithium-Akkus. Wie Messungen zeigten, betrug die Ladekapazität der Akkus rund 1200 Amperestunden pro Kilogramm, was dem dreifachen Wert einer klassischen Lithium-Ionen-Batterie entspricht. Die Energiedichte war mit 400 Wattstunden pro Kilogramm fast doppelt so hoch wie bei dem Marktführer.

          Schwefel – Rohstoff im Überfluss

          Viel entscheidender ist für die Forscher aber die Stabilität der Akkus. Die besten Prototypen ließen sich mehr als zweihundertmal wieder aufladen, ohne dass Einbußen in der Leistung zu verzeichnen waren. Die meisten Vorgängermodelle schwächeln bereits nach wenigen Zyklen.

          Trotz des Fortschritts reicht das noch nicht für praktische Anwendungen. „Unser Ziel sind 2000 bis 3000 Lade- und Entladezyklen“, sagt Stefan Kaskel vom IWS, der an den Forschungen beteiligt war. Dann könnte der Lithium-Schwefel-Akku in die Anwendung. Diese sieht der Chemiker aber eher in der stationären Stromspeicherung, in Flugzeugen und Satelliten, und weniger in E-Autos. Der Grund: Schwefel-Akkus sind zwar vergleichsweise leicht, benötigen derzeit aber noch viel Platz, und der ist in PKWs begrenzt.

          Das Interesse an funktionsfähigen Lithium-Schwefel-Batterien ist groß. Denn Schwefel ist im Gegensatz zu Nickel und Kobalt, die man für die Kathoden der Lithium-Ionen-Batterien verwendet, ein Abfallprodukt der chemischen Industrie und weltweit in großen Mengen verfügbar. Die Rohstoffe sind nach wie vor der entscheidende Kostenfaktor in der industriellen Batterieproduktion. Auch das Recycling alter Schwefel-Akkus dürfte weniger Aufwand erfordern als die Wiederaufbereitung von Lithium-Ionen mit ihren Metalloxid-Elektroden.

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