Forschung: Durchbruch bei leistungsstarken Batterien

Leistungsstarke und preiswerte Batterien sind der Schlüssel bei der Elektro-Mobilität. Forschern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden ist nach eigenen Angaben ein Durchbruch auf dem Weg zu leistungsfähigen und kostengünstigen Lithium-Schwefel-Batterie gelungen.

SiebenfacheLebensdauer

Die Lithium-Schwefel-Batterie ist laut Fraunhofer deutlich leistungsfähiger und kostengünstiger als die bislang bekanntere Lithium-Ionen-Variante. Der Nachteil des Lithium-Schwefel-Akkus: eine kurze Lebensdauer. Die hat bislang verhindert, dass diese Energiespeichertechnik den Weg ins Auto gefunden hat. Das könnte sich in absehbarer Zeit ändern. Denn die Fraunhofer-Wissenschaftler haben jetzt ein neues Batterie-Design entwickelt, das die Zahl der Aufladezyklen von Lithium-Schwefel-Akkus um das Siebenfache erhöht. „Bisher kamen wir bei Tests kaum über 200 Ladezyklen hinaus. Durch eine besondere Kombination aus dem Material für die Anoden und Kathoden 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 des Batterie-Prototyps besteht nicht wie sonst üblich aus metallischem Lithium, sondern aus einer Silizium-Kohlenstoff-Verbindung. Diese ist wesentlich stabiler, da sie sich im Verlauf eines Ladevorgangs weniger verändert als das Lithium-Metall. Je stärker sich das Anodenmaterial verformt, desto mehr vermischt es sich mit dem flüssigen Elektrolyten, der zwischen Anode und Kathode liegt und den Strom transportiert. Bei diesem Vorgang zersetzt sich die Flüssigkeit in Gas und Feststoffe. Die Batterie trocknet aus. „Im Extremfall ‚wächst‘ die Anode bis zur Kathode und sorgt mit einem Kurzschluss für den vollständigen Zusammenbruch der Batterie“, erklärt Althues.

Beim Lithium-Schwefel-Modell bildet elementarer Schwefel die Kathode. Der Vorteil: Schwefel ist im Vergleich zum knappen Kobalt, dem hauptsächlich in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Kathodenmaterial, in nahezu unbegrenzten Mengen verfügbar und damit entsprechend günstiger. Da auch Schwefel mit dem flüssigen Elektrolyt reagiert, verwenden die Fraunhofer-Forscher porösen Kohlenstoff, der diesen Reaktionsprozess verhindert. Die Experten rechnen damit, dass es die neuartigen Batterien elektrisch betriebenen Fahrzeugen mittelfristig ermöglichen, bei identischem Batteriegewicht die doppelte Reichweite zu erreichen. 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. Zum Vergleich: Aktuell verwendete Lithium-Ionen-Akkus kommen lediglich auf maximal 250 Wh/kg. „Vielleicht macht Lithium-Schwefel ja sogar das elektrische Fliegen möglich. Bis dahin muss aber noch viel passieren“, ergänzt Althues. Aktuell arbeiten die Forscher in Dresden daran, das Material weiter zu optimieren und es in größeren Batteriemodellen einzusetzen. Auch auf geeignete Herstellungsprozesse wollen sie ihr Augenmerk legen.