Monash University: Lithium-Schwefel-Batterie kurz vor Marktreife?

Forscher der australischen Monash University stehen nach eigenen Angaben kurz vor der Kommerzialisierung der weltweit effizientesten Lithium-Schwefel-Batterie. Sie könne E-Autos zu mehr als 1.000 Kilometer Reichweite und Smartphones zu einer Laufzeit von fünf Tagen verhelfen.

Laut der Mitteilung der Universität könne die wiederaufladbare Batterie „die Leistung des aktuellen Marktführers um mehr als das Vierfache übertreffen“. Möglich machen soll dies ein neues Kathoden-Design. Die Forscher haben für ihr Herstellungsverfahren bereits ein Patent angemeldet.

Prototyp-Zellen wurden vom deutschen Forschungs- und Entwicklungspartner Fraunhofer IWS in Dresden hergestellt. Die Dresdner Forscher bestätigen auch das grundsätzliche Potenzial der Lithium-Schwefel-Technologie, dämpfen aber die Hoffnung auf eine baldige Kommerzialisierung. Die Technik sei sehr vielversprechend, befinde sich allerdings noch in der Entwicklung. „Erste Anwendungen werden dort gesehen, wo es um geringes Gewicht geht, beispielsweise in der Luftfahrt“, sagte der Leiter der Abteilung chemische Oberflächen- und Batterietechnik am IWS, Holger Althues. Sein Team erforscht die Technik seit Jahren. Lithium-Schwefel-Zellen können bei gleichem Gewicht mehr Energie speichern als Lithium-Ionen-Akkus, sind dabei allerdings größer.

Der Vorteil der Lithium-Schwefel-Batterien sind die deutlich niedrigeren Kosten, auch das Gewicht ist geringer. In solchen Zellen besteht die Kathode aus einem Gemisch von Schwefel und Kohlenstoff und ersetzt die bisher vorherrschenden Kathoden aus Nickel, Mangan und Kobalt. „Das eröffnet das Potenzial für eine kostengünstige Zelle: Schwefel ist im Gegensatz zu Nickel und Kobalt ein Abfallprodukt und weltweit verfügbar“, sagt Althues.

Die Technologie hat sich aber noch nicht durchgesetzt, weil Probleme mit der Stabilität der Kathode noch nicht gelöst waren. Beim Laden und Entladen dehnt sich diese deutlich stärker aus (bzw. zieht sich zusammen), was zu feinen Rissen im Material und damit zu einem höheren Verschleiß führt. Die australischen Forscher rund um Mahdokht Shaibani wollen nun eine besonders robuste Schwefel-Kathode entwickelt haben.

Hierbei wird der Schwefel in eine Mischung aus dem Bindemittel Natrium-Carboxymethylcellulosen (Na-CMC) und Kohlenstoff eingebettet, wie die Forscher unter anderem im US-Fachblatt „Science Advances“ schreiben. Diese Schicht soll die mechanischen Belastungen ausgleichen und somit den Leistungs- und Kapazitätsverlust der Zelle über die Nutzungsdauer verringern. Auf diese Weise sollen Leistungsdichten von mehr als 1.200 mAh/g möglich sein – immerhin schon in Automotive-üblichen Zellen im Pouch-Design, allerdings noch im Labor-Maßstab.

Ladezyklen müssen noch erhöht werden

„Dieser Ansatz begünstigt nicht nur hohe Leistungsdaten und eine lange Lebensdauer, sondern auch eine einfache und extrem kostengünstige Herstellung mit wasserbasierten Verfahren“, betonte Monash-Forscher Matthew Hill. Über 200 Ladezyklen hinweg habe die Lithium-Schwefel-Zelle kaum an Leistung verloren – bei einem Wirkungsgrad von 99 Prozent. „Unseres Wissens nach ist diese Kombination von exzellenter Zyklenstabilität und Wirkungsgrad einzigartig für Kathoden mit so hohem Schwefelgehalt“, schreiben die Forscher. Noch in diesem Jahr sollen erste Test-Batterien in Autos und Solarparks integriert werden.

Dennoch liegt noch einiges an Arbeit vor den Forschern und später auch den Serien-Entwicklern. Für den Einsatz in Elektroautos müssten die Ladezyklen auf einige tausend angehoben werden. In einem kürzlich angemeldeten Patent geht Tesla von 4.000 Ladezyklen für seine neuen Zellen aus – jedoch noch auf Basis von NMC-Kathoden.
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