Dr. Falko Böttger-Hiller, Chemiker der TU Chemnitz, bereitet eine Probe winzig kleiner Kohlenstoffhohlkugeln für eine Porenanalyse vor.
TU Chemnitz/Mario Steinebach
Korrektur vom 1.7.2013, 15:47: Chemiker der Technischen Universität (TU) Chemnitz haben Kohlenstoffmaterialien für die Anwendung in Lithium-Schwefel-Batterien maßgeschneidert. Die von den TU-Chemnitz-Wissenschaftlern um Professor Dr. Stefan Spange, Inhaber der Professur Polymerchemie, hergestellten und analysierten Materialien wurden in Batterietests durch Industriepartner BASF geprüft. Demnach laufen die entwickelten Lithium-Schwefel-Batterien stabil für mehr als 500 Lade- und Entlade-Zyklen und weisen dann noch circa 70 Prozent ihrer Ausgangsleistung auf, gaben die Wissenschaftler der Professur Polymerchemie der TU Chemnitz bekannt.
Eine Lithium-Schwefel-Batterie besteht aus einer Schwefel-Elektrode und einer Elektrode aus metallischem Lithium. Der geringe Preis von elementarem Schwefel und dessen Verfügbarkeit in großen Mengen sowie eine hohe Energiedichte zählen zu den Vorteilen der Batterieart. So hat eine Lithium-Schwefel-Batterie eine theoretische Kapazität von 1672 mAh/g. Lithium-Ionen-Akkus erreichen eine theoretische Kapazität von 275 mAh/g, also rund ein Sechstel, erklären die Chemiker der TU Chemnitz. Der Nachteil der Lithium-Schwefel-Module: Sie sind nur sehr begrenzt haltbar.
Elementarer Schwefel - also die Form, in der Schwefel in der Natur vorkommt - leitet keinen elektrischen Strom. Deshalb kann er nicht direkt als Elektrodenmaterial verwendet werden und wird vorwiegend in Kombination mit Kohlenstoff eingesetzt. Als weiteres Problem gelten Reaktionsprodukte des Schwefels, sogenannte Polysulfide, die im Elektrolyten - der Batterieflüssigkeit - löslich sind. Beim Laden und Entladen löst sich deshalb ständig Material aus der Schwefel-Elektrode heraus. Das führt zu einer schnellen Zerstörung der Batterie, wodurch die erste Generation der Lithium-Schwefel-Zellen eine sehr geringe Lebensdauer aufweist. Zudem ändert sich beim Laden und Entladen das Volumen des Schwefel-Materials, was dieses zusätzlich belastet. Durch das Verschmelzen von Schwefel mit hohlem Kohlenstoffmaterial konnten kanadische Forscher die Lebensdauer im Jahr 2009 erstmals auf 50 Lade-Entlade-Zyklen steigern. "Das ist immer noch höchst unbefriedigend. Es ist unvorstellbar dem Halter eines Elektrofahrzeuges klarzumachen, dass der Wagen nach 50 'Tankfüllungen' nicht mehr funktioniert", betonte Professor Spange.
Ein hoher Anteil Schwefel führt zu einer hohen Kapazität der Batterie
Den Schlüssel zu einer längeren Lebensdauer der Lithium-Schwefel-Batterie liegt laut Dr. Falko Böttger-Hiller vom Fachbereich Chemie der TU Chemnitz in winzig kleinen Kohlenstoffhohlkugeln. Diese hat Böttger-Hiller im Rahmen seiner Doktorarbeit mit Schwefel verschmolzen. "Diese Kohlenstoffhohlkugeln sind miteinander zu einer Art Kohlenstoffschaum verwachsen und verfügen über Hohlräume mit einem Innendurchmesser von sieben Nanometer. Des Weiteren haben diese Kugeln winzige Löcher in ihrer Hülle, die den Schwefel förmlich aufsaugen", beschreibt Böttger-Hiller. Die Chemnitzer Chemiker analysierten das Verhalten der verwendeten Materialien abhängig vom Anteil des Kohlenstoffs, von der Kugelgröße, der Dicke der Schalen und der Größe der Poren in der Schale. Die systematische Untersuchung der Auswirkungen der Kugeleigenschaften auf die Batterieperformance ergab, so die Chemiker, dass ein hoher Anteil Kohlenstoff zu einer guten Leitfähigkeit des Materials führe, und ein hoher Anteil Schwefel zu einer hohen Kapazität der Batterie. Die Kugelgröße von sieben Nanometer habe sich als optimal erwiesen. Denn so seien die Kugeln einerseits groß genug, um den Schwefel gut aufzusaugen und somit seine Auflösung im Elektrolyten zu verhindern. Andererseits seien sie klein genug, um durch ihre Hohlräume die Volumenänderung der Elektrode beim Laden und Entladen zu minimieren, erläutern die Forscher ihre Untersuchungsergebnisse. Diese beiden Aspekte sollen die Lebensdauer der Batterien immens verbessert haben. So habe sich in Batterietests des Industriepartners BASF gezeigt, dass die maßgeschneiderten Kohlenstoffmaterialien zu leistungsfähigen Batterien mit einer Kapazität von rund 900 mAh/g führen. Sie laufen den Tests nach für mehr als 500 Lade- und Entlade-Zyklen stabil und weisen dann noch circa 70 Prozent ihrer Ausgangsleistung auf, so die Wissenschaftler der TU Chemnitz.
"Diese Arbeit wird nicht nur den Weg hin zu Batterien mit hohen spezifischen Energien für tragbare Elektronik und Elektroautos ebnen, sondern auch bei der Entwicklung neuer Superkondensatoren und Katalysatorträger eine große Rolle spielen", schätzt Professor Spange ein und ergänzt: "Eine Besonderheit des in Chemnitz entwickelten Prozesses ist die Möglichkeit, nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien nach einem einfachen, modularen Prinzip gezielt aufzubauen. So ist, im Gegensatz zu anderen Arbeiten, die gezielte Herstellung speziell für eine Anwendung angepasster Kohlenstoffe möglich."
Die Wissenschaftler haben ihre Forschungsergebnisse in der Zeitschrift "Angewandte Chemie" (Böttger-Hiller, F., Kempe, P., Cox, G., Panchenko, A., Janssen, N., Petzold, A., Thurn-Albrecht, T., Borchardt, L., Rose, M., Kaskel, S., Georgi, C., Lang, H., Spange, S. (2013): Zwillingspolymerisation an sphärischen Hart-Templaten - ein Weg zu Kohlenstoffhohlkugeln mit einstellbarer Größe und mikro- oder mesoporöser Schale. Angewandte Chemie, doi: 10.1002/ange.201209849) veröffentlicht.
Tipp der Redaktion Automobil- und Motorentechnik:
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