Mit Lithium-Schwefel-Akkus schneller laden

Mehr Reichweite, schneller laden: Lithium-Schwefel-Batterien könnten die E-Mobilität revolutionieren. Eine internationale Studie zeigt Strategien auf, wie sich die Schnellladefähigkeit von LSBs verbessern lässt. 

Autofahrer sind es gewohnt, ihr Fahrzeug an der Zapfsäule in weniger als 5 min vollzutanken. Viele potenzielle Käufer machen daher einen Bogen um Elektroautos, weil sie die langen Ladezeiten abschrecken. Zwar laden moderne Lithium-Ionen-Batterien von 20 auf 80 % in etwa 20 bis 30 min, eine vollständige Ladung nimmt jedoch mehr Zeit in Anspruch – und das schnelle Laden belastet die Zellen stark.

Die internationale Übersichtsstudie "Fast-Charging Lithium–Sulfur Batteries" zeigt nun, wie Lithium-Schwefel-Batterien (LSBs) diese Grenzen überwinden könnten. Forschende aus Deutschland, Indien und Taiwan haben dafür hunderte aktuelle Studien systematisch analysiert. Sie legen dar, mit welchen Mechanismen sich LSBs auch bei hohen Ladegeschwindigkeiten stabil und leistungsfähig betreiben lassen. Ihr Ziel: Ladezeiten von unter 30 min – im Idealfall sogar nur 12 min – bei gleichzeitig höherer Energiedichte und größerer Reichweite.

Auch ökonomisch spricht vieles für Schwefel

Lithium-Schwefel-Batterien werden seit den späten 1960er Jahren erforscht, wie Springer-Autor Peter Kurzweil im Buchkapitel Hochenergiebatterien nach Lithium-Ion erklärt. Sie gelten als aussichtsreiche Nachfolger der etablierten Lithium-Ionen-Batterien. "In diesen werden Lithium-Ionen in feste Elektrodenmaterialien ein- und ausgelagert, bei LSBs laufen chemische Reaktionen ab, bei denen neue Verbindungen entstehen", so die Forschenden der erwähnten Übersichtsstudie zu schnellladbaren Lithium-Schwefel-Batterien.

Bei LSBs besteht die Kathode aus Schwefel und die Anode aus Lithiummetall. Das mache theoretisch eine Kapazität von 2.600 Wh/kg aus, so die Forscher. Das sei rund zehnmal so viel wie bei konventionellen Systemen. E-Fahrzeuge könnten damit künftig deutlich längere Strecken mit nur einer Ladung zurücklegen. Weitere Vorteile: Schwefel sei kostengünstig, weltweit verfügbar, umweltfreundlich und ungiftig. Damit spreche den Forscher zufolge auch ökonomisch vieles für einen Umstieg auf Schwefel als Kathodenmaterial. Zudem enthalten LSBs kein Kobalt, wodurch langfristig niedrigere Herstellungskosten erzielt werden könnten, so Springer-Autor Martin Doppelbauer im Buchkapitel Energy Storage Systems.

Technische Hürden behindern breite Anwendung

Bislang stehen einer breiten Marktdurchdringung jedoch technische Hürden im Weg, wie die Forscher der Übersichtsstudie erläutern. Schwefel sei ein elektrischer Isolator und müsse mit leitfähigen Zusatzstoffen kombiniert werden, was das Batteriegewicht erhöhe. Zudem dehne sich die Kathode beim Laden und Entladen um bis zu 80 % aus, was die mechanische Stabilität und Lebensdauer beeinträchtigen können.

Hinzu komme der "Shuttle-Effekt": Während der Entladung entstünden lösliche Lithium-Polysulfide, so die Forscher, die zur Anode wandern und dort unerwünschte Nebenreaktionen verursachen. Das habe negative Folgen für Effizienz und Stabilität. "Außerdem können an der Lithium-Metall-Anode Dendriten – nadelartige Strukturen – wachsen, die Kurzschlüsse auslösen und im schlimmsten Fall Brände verursachen können", erklärt Erstautor der Übersichtsstudie Jakob Offermann von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU).

Strategien für leistungsstarke, langlebige und sichere LSBs 

Um diese Hürden zu beseitigen und den Weg für die kommerzielle Einführung LSBs zu ebnen, sind in der vergangenen Zeit aber bedeutende Fortschritte erzielt worden. Dazu gehören innovative Lösungen aus dem Bereich der Materialwissenschaft, der Elektrolyttechnik und dem Zelldesign. Die Übersichtstudie gibt einen Einblick in die wichtigsten Strategien und zukünftigen Perspektiven für schnellladbare LSBs.

Im Rahmen der Studie wurden gezielt Arbeiten mit besonders schnellen Ladezeiten untersucht (ab 2C, d. h. Laden in unter 30 min) und hoher Schwefelbeladung. Beides sei entscheidend für die Praxis. Wichtige Lösungsansätze seien laut den Forschern:

• Kathoden-Design: Leitfähige Kohlenstoffstrukturen, wie Nanoröhren, Graphen oder Aktivkohle sollen den Ionentransport und die Schwefelausnutzung verbessern – auch bei hoher Materialbeladung. Defektreiche und dotierte Kohlenstoffe sollen zusätzlich helfen, den Shuttle-Effekt zu verringern.
• Katalytische Materialien: Metalloxide, Chalcogenide oder Einzelatom-Katalysatoren sollen die Schwefelreaktionen beschleunigen und den Shuttle-Effekt reduzieren.
• Optimierte Separatoren: Funktionelle Trennschichten sollen Polysulfide einfangen und den schnellen Ionentransport fördern.
• Neue Elektrolytsysteme: Hochkonzentrierte und feste Elektrolyte sowie spezielle Additive sollen die Leitfähigkeit, die Verträglichkeit mit Lithium-Metall verbessern und Nebenreaktionen unterdrücken.
• Stabile Anoden: Schutzschichten wie 3-D-Lithium-Strukturen und künstliche Grenzflächen sollen Dendritenbildung verhindern.
• Neue Schwefel-Formen: Monoklines γ-Schwefel soll eine direkte Festkörperreaktion erlauben – ganz ohne Shuttle-Effekt.
• Materialentwicklung mithilfe künstlicher Intelligenz: KI-Methoden sollen die Materialsuche beschleunigen, Batterieperformance voraussagen und helfen, Ladeprozesse effizienter und sicherer zu gestalten.

Zukunft in der Nische?

Zusammengefasst heißt das: Schnellladende Lithium-Schwefel-Batterien haben Potenzial für die Elektromobilität und Energiewende. Bis marktfähige Produkte vorliegen, sind aber weitere Forschungsanstrengungen notwendig. "Unsere Analyse zeigt, dass Schnellladezeiten unter 30 Minuten – teils sogar unter 15 Minuten – bei gleichzeitiger Kapazitätssteigerung realistisch sind", sagt Studienkoordinator Dr. Mozaffar Abdollahifar aus der Gruppe von Professor Rainer Adelung von der CAU. "Derzeit erreichen erste Prototypen vielversprechende Werte von etwa 2 mAh pro Quadratzentimeter bei praxistauglichen Ladegeschwindigkeiten. Um jedoch bestehende Lithium-Ionen-Batterien wirklich zu übertreffen, müssen Materialbeladung und Leistungsfähigkeit weiter gesteigert werden."

Hinsichtlich einer zukünftigen Kommerzialisierung von Lithium-Schwefel-Batterien herrscht vorsichtiger Optimismus. "Es scheint so, als wenn Lithium-Schwefel-Batterien zunächst eine Zukunft in der Nische der Anwendungen haben, in denen das Gewicht der Batterie die bedeutsamste Eigenschaft darstellt und größeres Volumen sowie kürzere Zyklenlebensdauern akzeptabel sind", prognostizieren die Springer-Autoren Dirk Uwe Sauer und Florian Ringbeck im Buchkapitel Batteriesysteme und deren Steuerung. Dies treffe vor allem auf Fluganwendungen wie Drohnen, Lufttaxis oder elektrische Kleinflugzeuge zu. Eine zuverlässige Prognose dazu, wann Lithium-Schwefel-Batterien die NMC-Lithium-Ionen-Batterien in diesem Segment verdrängen könnten, sei aktuell nur schwer zu treffen. Ein schneller Durchbruch bei Pkw ist kurzfristig daher nicht zu erwarten: "Ein großflächiger Einsatz von Lithium-Schwefel-Batterien in Pkw erscheint zumindest in diesem Jahrzehnt als unwahrscheinlich".