Quarzpulver verbessert Kapazität von Lithium-Schwefel-Akkus

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Lithium-Schwefel-Akkus können theoretisch deutlich mehr Energie liefern als die heute üblichen Lithium-Ionen-Akkus, die heutigen Prototypen verlieren aber schon nach wenigen Ladezyklen merklich an Kapazität. Materialforschende des Paul Scherrer Instituts PSI in der Schweiz haben nun in Zusammenarbeit mit der Universität Grenoble Alpes (Frankreich) mit einem auf Röntgenlicht basierenden Verfahren direkt sichtbar gemacht, wie es im Inneren von Lithium-Schwefel-Akkus zum Kapazitätsverlust kommt. Und sie zeigten: Mischt man Quarzpulver als Zusatz in die flüssige Komponente des Akkus, lässt sich der Verlust verlangsamen. Als Zusatz in der flüssigen Komponente des Akkus steigere es die verfügbare Energie und dämme den mit der Zeit eintretenden Kapazitätsverlust ein, so die Forscher.

Dass Quarzpulver mit den Materialien in Lithium-Schwefel-Akkus wechselwirkt, hatten vorab schon andere Forschungsgruppen festgestellt. Die PSI-Forschenden bezifferten jetzt den Vorteil des Quarzpulvers: Mit diesem Zusatz leiste ein Lithium-Schwefel-Akku 25 bis 30 Prozent mehr, sagt die PSI-Forscherin Claire Villevieille, Mitautorin der Studie. "Wir haben das Quarzpulver dem Elektrolyten – also der flüssigen Komponente des Akkus – einfach zugegeben wie Waschpulver in die Wäsche", so Villevieille. 

Coulomb-Wirkungsgrad steigt von rund 80 auf 90 Prozent

Die Forscher stellten fest, dass Quarzpulver fehlgeleitete Polysulfide, die beim Betrieb des Lithium-Schwefel-Akkus unerwünschterweise in die flüssige Komponente des Akkus übergehen, bindet wie Seife den Schmutz. Das erhöhe und erhalte die Ladekapazität, weil das Akku-Innere länger sauber und funktionstüchtig bleibe. Die Umkehrbarkeit des Entladevorgangs verbessere sich, so die Forscher. "Wir nennen das den Coulomb-Wirkungsgrad", erklärt Villevieille. Er soll von rund 80 auf 90 Prozent steigen. Zum Vergleich: Der Coulomb-Wirkungsgrad eines herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus liegt bei über 99,9 Prozent. 

Quarzpulver wirkt wie eine Art Waschmittel

Die positive Auswirkung von Quarz hätte sich gezeigt, als die PSI-Forschenden in Kooperation mit einem Kollegen der Universität Grenoble Alpes mit sogenannter operando-Röntgendiffraktion die chemischen Vorgänge im Akku untersuchten. Um die Polysulfide sichtbar zu machen, tauchten die Forschenden Glasfasern in den Elektrolyt. Ohne damit zu rechnen, stellten sie fest, dass die Glasfasern die unerwünschten Ablagerungen der Sulfide minderten. Da Glas hauptsächlich aus Quarz besteht, sei es naheliegend gewesen, Quarzpulver fortan als eine Art Waschmittel in den Akkus einzusetzen, folgerten die Wissenschaftler.

Günstig und unkompliziert 

Neben der Zugabe von Quarzpulver gebe es prinzipiell auch andere Ansätze, wie man verhindere, dass sich die Polysulfide lösen und die Akkufunktion einschränken, räumen die Forscher ein: Aber diese seien entweder sehr kompliziert oder sehr teuer oder beides; vor allem, wenn man zu industriellem Maßstab übergehe. Quarz dagegen sei günstig und einfach in den Elektrolyt zu geben.