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Mehr Stabilität für Lithium-Schwefel-Batterien – Wissenschaft aktuell

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Spezielle Bindemittel verhindern eine schnelle Zersetzung der Elektroden – Reichweiten von mehr als 1000 Kilometer möglich

Clayton (Australien)/Dresden –

Etwa 300 bis 400 Kilometer legen heute Elektroautos mit einer Ladung ihrer Lithium-Ionen-Batterien zurück. Mindestens die doppelte Reichweite wäre prinzipiell mit Lithium-Schwefel-Batterien möglich. Allerdings leiden diese Stromspeicher noch unter mangelnder Stabilität der Elektroden, die sich nach einigen Ladezyklen zersetzen. Dieses Problem könnte aber mit einer speziellen Materialmischung für die Kathode behoben werden, berichten nun australische und deutsche Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Science Advances“. Ihre Prototypen einer Lithium-Schwefel-Batterie hielten nun ohne größere Verluste an Ladekapazität immerhin mehr als 200 Ladezyklen stand.

Der Grund für die geringe Haltbarkeit von Lithium-Schwefel-Batterien liegt in der großen Volumenänderung bei den Ladezyklen von knapp 80 Prozent. Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien rangiert die Ausdehnung der Elektroden nur bei etwa zehn Prozent. Durch den Aufbau einer Batterie ist dieser Elektroden-Effekt von außen allerdings nicht zu erkennen. Doch dieses „Atmen“ zerstört den Zusammenhalt der Elektrodenmaterialien und die Ladekapazität sackt nach und nach ab. Das Team um Mainak Majumder von Monash University in Clayton wählten daher mit Carboxymethylcellulose ein spezielles Bindemittel, um eine stabile Kathode aus Schwefel und Kohlenstoff zu fertigen.

Die an dieser Arbeit beteiligten Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden fertigten Natrium-Schwefel-Batterien verschiedener Größe. Die Kathoden bestanden dabei aus 70 Prozent Schwefel, 20 Prozent Kohlenstoff und zehn Prozent Carboxymethylcellulose. Beim Entladen der Batterie wanderten nun Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode und bildeten verschiedene Lithium-Schwefel-Vebindungen. Beim Aufladen kehrte sich dieser Prozess um. Dank des Bindemittels blieben auch im ausgedehnten Zustand die Materialien in der Kathode über kleine Brücken miteinander verbunden. Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop bestätigten dieses Verhalten, das maßgeblich für die größere Stabilität der Kathoden verantwortlich zeichnete.

Weitere Messungen ergaben, dass die Kathoden dieser Lithium-Schwefel-Batterien eine spezifische Kapazität von mehr als 1200 Milliamperestunden pro Gramm erreichten – ein Vielfaches von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings reichen auch mehr als 200 Ladezyklen noch nicht für eine marktfähigen Stromspeicher aus, der einige tausend Zyklen mit möglichst wenig Kapazitätsverlust aufweisen sollte. Dennoch zeigt diese Arbeit, dass die Wahl der optimalen Bindemittel in Zukunft für eine ausreichende Stabilität trotz großer Volumenänderungen bei den Ladezyklen führen könnte.

Neben der hohen Energiedichte und Ladekapazität bieten Lithium-Schwefel-Batterien noch weitere Vorteile. Der zum Bau nötige Schwefel ist günstig und in großen Mengen verfügbar. Zudem sind Lithium-Schwefel-Verbindungen im Unterschied zu heute in Lithium-Ionen-Akkus enthaltenen Kobaltverbindungen ungiftig.

Quelle: Mahdokht Shaibani et al.: Expansion-tolerant architectures for stable cycling of ultrahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries, Science Advances 6, eaay2757 (2020); DOI: 10.1126/sciadv.aay2757 Forscher: Mainak Majumder, Webseite: https://www.monash.edu/engineering/mainakmajumder

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