PTB analysiert Schwächen von Lithium-Schwefel-Akkus

Die Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hat ein Messsystem entwickelt, das im laufenden Betrieb von Lithium-Schwefel-Batterien eingesetzt werden kann. Dadurch kann die Einrichtung erste Antworten auf die Fragen geben, warum Li-S-Akkus derzeit ihre maximal mögliche Kapazität und Lebensdauer nicht erreichen.

Einen möglichen Auslöser für die unerwünscht schnelle Alterung der Batterien hat die PTB durch die Untersuchungen bereits identifiziert – und zwar Polysulfide, kettenförmige Moleküle aus Lithium und Schwefel, die sich am Minuspol anreichern, sodass immer weniger Lithium und Schwefel für die Energiespeicherung zur Verfügung steht.

Konkret bilden sich die Polysulfide während des Batteriebetriebs am Pluspol, lösen sich im Elektrolyten und wandern zum Minuspol. „Beim Wiederaufladen müssen sie an den Pluspol zurückwandern; aber das klappt nicht vollständig. Die Polysulfide reichern sich mit zunehmender Zyklenzahl am Minuspol an. Am Pluspol steht somit immer weniger Schwefel zur Verfügung, was sich in abnehmender Kapazität niederschlägt“, teilt die PTB in einer Pressenotiz mit.

Die Bewegung und Anreicherung der Polysulfide konnte mit zwei hochmodernen Analysemethoden mit Röntgenstrahlung der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II in Berlin molekülspezifisch beobachtet und dem jeweiligen Ladezustand zugeordnet werden. Die Messungen lassen nach Angaben der PTB den Schluss zu, dass polysulfid-undurchlässige Separatoren die Lebensdauer von Li-S-Batterien erhöhen können. Die Ergebnisse hat das Team der Einrichtung im „Journal of Materials Chemistry A“ veröffentlicht.

Lithium-Schwefel-Batteriezellen gelten als lukrative Alternative zu klassischen Lithium-Ionen-Batteriezellen. Sie verfügen über Lithium als Anoden- und Schwefel- als Kathodenmaterial. Das macht sie preiswert und umweltfreundlich, außerdem ist Schwefel reichlich vorhanden. Die theoretische Energiedichte einer solchen Zelle liegt laut der PTB aufgrund der leichten Elemente bei bis zu 2500 Wh/kg, was signifikant höher sei als bei Lithium-Ionen-Batterien. „Doch bisher konnte nur rund ein Viertel der theoretisch erreichbaren Energiedichte realisiert werden, und die Batterien dieser Art altern zu schnell, sodass die von der Industrie geforderten mindestens 1000 Ladezyklen derzeit noch nicht erreicht werden können.“

Dass ein kommerzieller Durchbruch schwer zu bewältigen ist, zeigt unter anderem der Fall von Oxis Energy. Das britische Unternehmen galt als einer der ambitioniertesten Entwickler der neuen Technologie und strebte die Serienfertigung von Li-S-Batteriezellen für 2023 an. Im Mai wurde dann aber publik, dass der Batteriespezialist Insolvenz anmelden musste, da er „die für die Fortsetzung seiner Produktentwicklung erforderlichen Investitionen“ nicht aufbringen konnte. Oxis soll nun abgewickelt und die Patente versteigert werden.
ptb.de