Beschichtung von Elektroden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren: Die Forscher haben jetzt das Design von Anode und Kathode für Lithium-Schwefel-Batterieren optimiert.
Jürgen Jeibmann/Fraunhofer IWS
Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden haben ein neues Batteriedesign entwickelt, das die Aufladezyklen von Lithium-Schwefel-Akkus um das Siebenfache erhöht.
"Bisher kam man bei Tests kaum über 200 Zyklen hinaus. Durch eine besondere Kombination aus Anoden- und Kathodenmaterial konnten wir nun die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Knopfzellen auf 1400 Zyklen ausdehnen", beschreibt Dr. Holger Althues, Leiter "Chemische Oberflächentechnologie" am IWS den Durchbruch seines Teams. Die Anode ihres Prototyps besteht nicht - wie sonst üblich - aus metallischem Lithium, sondern aus einer Silizium-Kohlenstoff-Verbindung. Diese sei wesentlich stabiler, da sie sich bei jedem Ladevorgang weniger verändere als das Lithium-Metall. Denn je stärker sich das Anodenmaterial verforme, desto mehr vermische es sich mit dem flüssigen Elektrolyten, der zwischen Anode und Kathode liege und den Strom transportiere.
Entscheidend für Leistungsfähigkeit und Lebensdauer einer Batterie sei das Zusammenspiel von Anode und Kathode. Beim Lithium-Schwefel-Modell bilde elementarer Schwefel die Kathode. Schwefel sei im Vergleich zum knappen Kobalt - dem hauptsächlich in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Kathodenmaterial - in nahezu unbegrenzten Mengen verfügbar und dadurch günstiger. Auch der Schwefel trete mit dem flüssigen Elektrolyt in Wechselwirkung. Die Leistungsfähigkeit der Batterie sinke, im schlimmsten Fall verliere sie vollständig an Kapazität. Die Forscher am IWS nutzen poröse Kohlenstoffe, um diesen Vorgang zu entschleunigen. "Wir haben die Poren der Kohlenstoffe exakt angepasst, damit sich der Schwefel dort einlagern kann und sich langsamer mit dem Elektrolyt verbindet", veranschaulicht Althues. Zusammen mit seinen Kollegen hat der Forscher eine Methode entwickelt, um diese speziellen Kathoden herzustellen.
Doppelt so weit fahren
Die Experten vom IWS messen die Leistungsfähigkeit einer Batterie in Watt-Stunden pro Kilogramm (Wh/kg). Von Lithium-Schwefel-Batterien versprechen sie sich langfristig eine Energiedichte von bis zu 600 Wh/kg. Aktuell verwendete Lithium-Ionen-Akkus kommen auf maximal 250 Wh/kg. "Mittelfristig realistisch sind eher Zahlen um 500 Wh/kg. Das heißt, man kann bei identischem Batteriegewicht doppelt so weit fahren", so Althues. Im Umkehrschluss seien deutlich leichtere Batteriemodelle möglich. Und dies sei nicht nur für Automobil-, sondern beispielsweise ebenso für Smartphone-Hersteller interessant. "Vielleicht macht Lithium-Schwefel ja sogar das elektrische Fliegen möglich. Bis dahin muss aber noch viel passieren", ergänzt Althues. Aktuell arbeiten die Wissenschaftler daran, das Material weiter zu optimieren und es an größeren Batteriemodellen einzusetzen. Auch auf geeignete Herstellungsmethoden wollen sie ihr Augenmerk legen. Denn nur so bestehe die Chance, dass die Technik es in den Massenmarkt schafft und sich die Zahl der Elektroautos auf deutschen Straßen entscheidend vergrößert.