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Wie Quarz die Kapazität von Lithium-Schwefel-Akkus erhöht

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Quarzpulver bindet den „Schmutz“ im Akku

Die Forschenden sprechen nicht umsonst von Waschmittel: Das Quarzpulver bindet in der Tat eine Art „Schmutz" im Akku. Im Betrieb des Lithium-Schwefel-Akkus entstehen sogenannte Polysulfide. Diese sind ein gewöhnlicher Bestandteil des Akkus.

Ein Teil von ihnen geht jedoch unerwünschterweise in die flüssige Komponente des Akkus über und „schwimmt" dort bei jedem Lade- und Entladevorgang zwischen den beiden Elektroden des Akkus hin- und her – die Forschenden sprechen von einem „Shuttle-Effekt“.

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In der Folge reagieren diese fehlgeleiteten Polysulfide mit der Lithium-Elektrode des Akkus. Dadurch verringert sich die Menge des zur Verfügung stehenden Schwefels, also des aktiven Materials im Akku; die Kapazität des Akkus schwindet. Diesem Prozess lässt sich durch die Beigabe von Quarzpulver entgegenwirken.

„Wir stellten tatsächlich fest, dass Quarzpulver die Polysulfide bindet wie Seife den Schmutz“, berichtet Claire Villevieille. Das erhöht und erhält die Ladekapazität, weil das Akku-Innere länger sauber und funktionstüchtig bleibt. Die Umkehrbarkeit des Entladevorgangs verbessert sich.

„Wir nennen das den Coulomb-Wirkungsgrad“, so Villevieille. „Er steigt von rund 80 auf 90 Prozent.“ Zum Vergleich: Der Coulomb-Wirkungsgrad eines herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus liegt bei über 99,9%. „Bis dahin bleibt also noch ein Weg, aber das ist schon mal ein grosser Schritt."

Röntgenaufnahme eines Akkus

Die positive Auswirkung von Quarz zeigte sich, als die PSI-Forschenden in Kooperation mit einem Kollegen der Universität Grenoble Alpes mit sogenannter operando-Röntgendiffraktion die chemischen Vorgänge im Akku untersuchten.

Üblicherweise lassen sich mit dieser Technik keine flüssigen Komponenten beobachten und somit bleiben auch die Vorgänge im Elektrolyt verborgen. „Die Röntgendiffraktion gelingt nur an geordneten, kristallinen Strukturen; die Polysulfide im Elektrolyt schwimmen jedoch normalerweise ungeordnet herum“, erklärt Villevieilles Kollegin Joanna Conder, Erstautorin der Studie.

Um die Polysulfide dennoch sichtbar zu machen, tauchten die Forschenden Glasfasern in den Elektrolyt. An deren Oberfläche lagerten sich die Polysulfide in geordneter Weise ab. „Die so ausgerichteten Polysulfide beugen die Röntgenstrahlen und werden somit sichtbar. So konnten wir erstmals die Bildung und Veränderung der Polysulfide während des Lade- und Entladevorgangs im Akku verfolgen“, sagt Conder.

Ohne damit zu rechnen, stellten die Forschenden zudem fest, dass die Glasfasern die unerwünschten Ablagerungen der Sulfide minderten. Da Glas hauptsächlich aus Quarz besteht, war es naheliegend, Quarzpulver fortan als eine Art Waschmittel in den Akkus einzusetzen.

Günstig und unkompliziert

Neben der Zugabe von Quarzpulver gebe es prinzipiell auch andere Ansätze, wie man verhindert, dass sich die Polysulfide lösen und die Akkufunktion einschränken, räumen die beiden PSI-Forscherinnen ein: „Aber diese sind entweder sehr kompliziert oder sehr teuer oder beides; vor allem, wenn man zu industriellem Maßstab übergeht.

Quarz dagegen ist so ziemlich das günstigste Material, das es gibt.“ Eine solche Substanz in den Elektrolyt zu geben, sei denkbar einfach. „Darin liegt der grosse Vorteil unserer Methode“, sagt Joanna Conder.

Originalveröffentlichung im Fachjournal Nature Energy.

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