Lithium-Schwefel-Batterie: Der Akku der Zukunft?
Forscher der Drexel University Philadelphia haben die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien verlängert. Die neuartige Kathode ist sehr leitfähig, wenig explosionsgefährdet und behält ihre Leistung auch nach mehreren Wiederaufladungen bei.
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Dank der Bindung der Polysulfide in Lithium-Schwefel-Batterien könnte der Albtraum vom dauerleeren Akku bald der Vergangenheit angehören.
Ende Juli 2008 setzte das britische Solarflugzeug Zephyr-6 einen inoffiziellen Flug-Ausdauer-Rekord, indem es mehr als drei Tage in der Luft blieb. Möglich machten dies Lithium-Schwefel-Batterien – sie verliehen dem Flugzeug eine Effizienz, die von vergleichbaren Spitzenbatterien unerreicht ist. Zehn Jahre später wartet die Welt immer noch auf die kommerzielle Ankunft von «Li-S»-Batterien. Ein Durchbruch von Forschern an der Drexel University in Philadelphia hat jüngst eine bedeutende Barriere auf der Weg zur Kommerzialisierung dieser vielversprechenden Batterie aus dem Weg geräumt.
Lithium-Ionen-Batterien bald vom Thron gestossen?
Technologieunternehmen wissen seit geraumer Zeit, dass die Entwicklung ihrer Produkte, seien es Laptops, Mobiltelefone oder Elektroautos, von der ständigen Verbesserung der Batterien abhängt. Die Technologie ist nur so lange «mobil», wie es die Batterie erlaubt, und Lithium-Ionen-Batterien, die als die besten auf dem Markt gelten, stoßen an ihre Leistungsgrenze. Smartphone-Hersteller und Co. versuchen, jedes letzte Volt aus den Speichergeräten zu pressen, indem sie die Größe interner Komponenten reduzieren, die nicht zur Energiespeicherung beitragen. Eine unglückliche Nebenwirkung dieser strukturellen Veränderungen ist beispielsweise die Fehlfunktion aufgrund derer 2016 Samsung-Geräte in Flammen aufgingen.
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Grund zum Lächeln: Mit Lithium-Schwefel-Batterien würden Mobiltelefone weniger Gefahr laufen, zu explodieren.
Akkulaufzeit verlängert
Forscher und die Technologiebranche versuchen nun, Lithium-Ionen-Batterien durch Li-S-Batterien zu ersetzen, die eine fünf bis zehnmal höhere Energiedichte aufweisen und so potenziell Abhilfe vom akuten Platzproblem in mobilen Elektrogeräten bieten könnten. Ausserdem bedeutet eine höhere Kapazität auch längere Akkulaufzeiten zwischen den Ladungen, womit Li-S-Batterien insbesondere in der Kundenfreundlichkeit vorne lägen. Der Knackpunkt: Die Batterien behalten ihren Kapazitätsvorsprung nach ein paar Wiederaufladungen nicht mehr bei. Dafür verantwortlich ist ein chemischer Prozess, den der Schwefelbestandteil in der Elektrode durchläuft. Bisherige Versuche, dieser Leistungsverschlechterung beizukommen, haben neue Probleme geschaffen: Gewichtserhöhung, zu hohe Materialkosten, kompliziertere Verarbeitungsschritte.
Sekundenschnelle Kathodenherstellung
Ein neuer Ansatz, den Forscher des Drexel's College of Engineering in einer kürzlich erschienenen Ausgabe des Fachmagazins Applied Materials and Interfaces der American Chemical Society beschrieben haben, zeigt, dass die Polysulfide, die den Leistungsabfall verursachen, lokal stabilisiert werden können; und zwar einhergehend mit einer Reduktion des Akku- und Gesamtgewichts der betreffenden Geräte.«Wir haben freistehende poröse Titanmonoxid-Nanofasermatten als Kathoden-Wirtsmaterial in Lithium-Schwefel-Batterien hergestellt», sagt Vibha Kalra, PhD, Associate Professor am College of Engineering. «Dies ist eine bedeutende Entwicklung, weil wir herausgefunden haben, dass unsere Titanmonoxid-Schwefel-Kathode sowohl hochleitfähig als auch in der Lage ist, Polysulfide über starke chemische Wechselwirkungen zu binden, was bedeutet, dass sie die spezifische Kapazität der Batterie erhöhen kann, während sie ihre beeindruckende Leistung über Hunderte von Zyklen behält. Wir haben auch die vollständige Beseitigung von Bindemitteln und Stromabnehmern auf der Kathodenseite zustande gebracht, die 30 bis 50 Prozent des Elektrodengewichts ausmachen - und unsere Methode benötigt nur Sekunden, um die Schwefelkathode zu erzeugen, wohingegen der gegenwärtige Standardprozess fast einen halben Tag dauert.»
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«Unsere Methode benötigt nur Sekunden, um die Schwefelkathode zu erzeugen, wohingegen der gegenwärtige Standardprozess fast einen halben Tag dauert.»
Vibha Kalra, Associate Professor am College of Engineering, Philadelphia
Vibha Kalra, Associate Professor am College of Engineering, Philadelphia
Weitere Verbesserungen ins Auge gefasst
Die in Kalras Labor entwickelte Technik kann Schwefel in nur fünf Sekunden in das Kathodensubstrat einbringen. Seine frühere Arbeit mit Nanofaser-Elektroden hat gezeigt, dass sie eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber derzeitigen Batteriekomponenten bieten. Beispielsweise minimiert das von Kalra verwendete Elektrolytgel das Entflammbarkeitsrisiko und verringert die Anfälligkeit für Lecks und Explosionen. Die Li-S-Elektroden aus dem amerikanischen Labor sehen vielversprechend aus. Der Leistungsabfall bisheriger Batterien dieses Typs konnte von den Forschern bedeutend verringert werden, und die Gruppe wird weiterhin an ihren Li-S-Kathoden arbeiten. Sie will die Lebensdauer der Zyklen weiter verbessern, die Bildung von Polysulfiden reduzieren und die Kosten senken: Lithium-Schwefel-Batterien könnten also in naher Zukunft kommerzielle Realität werden. (mgt/lfr)
