Lithium-Schwefel-Akkus Rotalgen sollen für bessere Batterien sorgen

Autor: Sebastian Gerstl

Lithium-Schwefel-Batterien könnten als kostengünstige Energiequelle mit hoher Leistungsfähigkeit Lithium-Ionen-Akkus ihren Rang streitig machen – wenn da nicht der hohe Kapazitätsverlust wäre. Forscher der Universität Berkeley haben nun eine mögliche Quelle gefunden, um das Problem zu beseitigen: Eine Seetangart könnte als Stabilisator dienen.

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Lithium-Schwefel-Akkus bergen hohes Potential, doch die Lebensdauer dieser Batterien ist derzeit für kommerziele Anwendungen zu gering. das aus Rotalgen gewonnene Carrageen ist allerdings ein potentieller Stabilisator für die Technologie.
Lithium-Schwefel-Akkus bergen hohes Potential, doch die Lebensdauer dieser Batterien ist derzeit für kommerziele Anwendungen zu gering. das aus Rotalgen gewonnene Carrageen ist allerdings ein potentieller Stabilisator für die Technologie.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Ein Team um Batterieforscher Gao Liu hat in einer Form von Alge einen unerwarteten Stabilisator gefunden, der verhindert, dass die Kapazität von Schwefelbatterien sehr schnell abnimmt. Carrageen –ein langkettiges Kohlenhydrat, das aus Seegras gewonnen wird – kann demnach als Stabilisator in Lithium-Schwefel-Batterien fungieren. Das erhöht die Zahl der möglichen Lade-/Entladezyklen in einer Batterie, was wiederum die Lebensdauer steigert.

„Es gibt einen hohen Bedarf an Energiespeicherung, aber es gibt nur wenig Chemie, die das Kostenziel erreichen kann“, sagte Dr. Lui. „Schwefel ist ein sehr billiges Material - es gibt es praktisch umsonst. Und die Energiespeicherkapazität ist gegenüber Lithium-Ionen-Batterien wesentlich höher. Lithium-Schwefel ist also eine Chemie, die potenziell das Kostenziel erreichen kann.„ Das Team veröffentlichte seine Erkenntnisse in der Studie„Nucleophilic substitution between polysulfides and binders unexpectedly stabilizing lithium sulfur battery“ im Fachjournal Nano Energy.

Der Lithium-Schwefel-Akku gilt als ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Energiespeicher: Die benötigten Materialien sind kostengünstig, umweltfreundlich und leicht verfügbar. Derzeit kommt die Technologie allerdings kommerziell nur im eingeschränkten Maß zum Einsatz. Lithium-Schwefel-Akku verlieren bei wiederholtem Aufladen schnell an Kapazität, was chemisch darin begründet liegt, dass der Schwefel anfängt, sich aufzulösen und damit einen sogenannten Polysulfid-Shuttleeffekt erzeugt.

Um dieses Problem zu lösen, experimentierte das Forschungsteam um Dr. Gao Liu mit einem Bindemittel, das alle aktiven Materialien in einer Batterie zusammenhalten soll. „Das Bindemittel ist wie ein Kleber, und normalerweise verlangen Batteriedesigner einen inerten Kleber,„ erklärt Dr. Liu. „Das von uns untersuchte Bindemittel funktionierte jedoch sehr gut. Als wir uns fragten, wieso, entdeckten wir, dass er sofort mit dem Polysulfid reagierte. Er bildete eine kovalente Bindestruktur.“

Batterieforscher Gao Liu arbeitet daran, die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Akkus signifikant zu verbessern.
Batterieforscher Gao Liu arbeitet daran, die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Akkus signifikant zu verbessern.
(Bild: Berkeley Labs)

Durch die chemische Reaktion mit dem Schwefel konnte das Bindemittel die Auflösung des Schwefels verhindern. Nachdem das bekannt war, suchten die Forscher nach einem natürlichen Material, das die gleiche Wirkung mit sich bringen würde. Hierbei stießen die Wissenschaftler auf Carrageen: eine Substanz aus langkettigen Kohlehydraten, die aus Rotalgen gewonnen wird und die sich in der gleichen Funktionsgruppe wie der synthetisierte Polymer befindet, mit dem man ursprünglich bei den Experimenten arbeitete. General Motors, ein industrieller Forschungspartner der„Energy Storage & Distributed Resources Division“ des Berkeley Labs, bestätigte diese Forschungserkenntnisse durch eigene Experimente.

Lithium-Schwefel-Batterien haben gegenüber Lithium-Ionen-Batterien eine mehr als doppelte Energiedichte. Sie sind zudem wesentlich leichter. Lithium-Schwefel-Batterien lieferten die Nachtzeit-Energie für den 14-Tage-Flug des unbemannten Fliegers Zephyr im Jahr 2010.

Bisherige Ergebnisse versprechen viel Potential. Dr. Liu und sein Team arbeiten derzeit noch daran, die genauen chemischen Vorgänge, die innerhalb der Batteriezelle vorgehen, besser zu verstehen.„Nachdem sich das Polymer mit dem Schwefel verbunden hat, was geschieht dann als nächstes?“, fragt Liu.„Wenn wir das verstehen sind wir in der Lage, bessere Methoden zu entwickeln, die uns erlauben, die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Akkus signifikant zu steigern.“

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