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Neuer Rekord: bislang leistungsfähigster Lithium-Schwefel-Akku

| Autor / Redakteur: dpa / Julia Schmidt

Lithium-Schwefel-Akkus sind leichter, billiger und wohl auch umweltfreundlicher als die weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus. Doch noch gibt es Probleme mit der Stabilität. Dabei sind australische Forscher nun eine wichtigen Schritt vorangekommen.

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Associate Professor Matthew Hill, Dr. Mahdokht Shaibani und Professor Mainak Majumder mit einem Prototyp des neuen Lithium-Schwefel-Akkus.
Associate Professor Matthew Hill, Dr. Mahdokht Shaibani und Professor Mainak Majumder mit einem Prototyp des neuen Lithium-Schwefel-Akkus.
(Bild: MONASH University )

Australische Forscher haben nach eigenen Angaben den bislang leistungsfähigsten Lithium-Schwefel-Akku entwickelt. Die wiederaufladbare Batterie könne die Leistung der aktuellen Marktführer um mehr als das Vierfache übertreffen, berichtete die Monash-Universität im australischen Clayton in einer Mitteilung. Kern der Entwicklung, die sich derzeit noch im Laborstadium befindet, ist eine besonders robuste Schwefel-Elektrode, die das Team um Monash-Forscherin Mahdokht Shaibani im US-Fachblatt „Science Advances“ vorstellt.

Lithium-Schwefel-Akkus sind leichter und billiger als die weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus und lassen sich kostengünstig und umweltfreundlich herstellen, wie das an der Studie beteiligte Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden erläutert. 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.

Die Rohstoffe sind der entscheidende Kostenfaktor

„In der Lithium-Schwefel-Zelle ersetzt Schwefel die Nickel-Kobalt-Kathode der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie“, erläuterte Althues. „Das eröffnet das Potenzial für eine kostengünstige Zelle: Schwefel ist im Gegensatz zu Nickel und Kobalt ein Abfallprodukt und weltweit verfügbar.“ Die Rohstoffe seien der entscheidende Kostenfaktor in der industriellen Batterieproduktion. Ein Problem der Lithium-Schwefel-Batterie ist bislang jedoch die mechanische Stabilität der Kathode, die sich bei der betriebsbedingten Aufnahme und Abgabe von Lithium merklich ausdehnt und wieder zusammenzieht. Dadurch entstehen häufig Mikrorisse und -brüche in dem Material, so dass die Zelle schnell verschleißt.

Für dieses Problem hat das australische Forscherteam nun einen vielversprechenden Lösungsansatz entwickelt und patentiert. Der Schwefel ist dabei in eine speziell gestaltete Schicht aus einem Bindemittel und Kohlenstoff eingebettet, die höhere mechanische Belastungen ausgleichen kann als bisherige Kathoden und damit den Leistungs- und Kapazitätsverlust verringert. „Diese Arbeit zeigt, dass eine sehr gute Kathode mit umweltfreundlichen Verfahren herstellbar ist“, sagte Althues, dessen Institut einen Prototyp der neuen Zelle gebaut hatte. „Das ist ein sehr wichtiger Schritt, allerdings gibt es weitere Hürden bei der Entwicklung der Komponenten und Zellen bis zur Marktreife, insbesondere für die Anwendung in Elektrofahrzeugen.“

Die Architektur der Schicht sei von der Waschmittelproduktion inspiriert, erläuterte die Monash-Universität. Der Prozess ermögliche eine Stabilität, wie sie keine andere Batterie bislang besitze. „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. „Und er kann zu einer erheblichen Reduzierung von umweltgefährdenden Abfällen führen.“ Das neue Batteriedesign sei dadurch attraktiv für künftige Alltagsanwendungen. (dpa)

Originalpublikation:

Mahdokht Shaibani, Meysam Sharifzadeh Mirshekarloo, Ruhani Singh, et. al.: Expansion-tolerant architectures for stable cycling of ultrahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries in Science Advances 03 Jan 2020: Vol. 6, no. 1, eaay2757.
DOI: 10.1126/sciadv.aay2757

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