Zwar gelten Lithium-Schwefel-Akkus schon seit mehreren Jahren als eine preiswerte und leichte Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, doch sie sind schwer haltbar zu machen und daher kaum wirtschaftlich nutzbar. Ein US-Forschungsteam der Vanderbilt University hat nun jedoch eine Chemie vorgestellt, bei der Chlor genutzt wird, um dem Schwefel noch mehr Energie zu entlocken.
Die dazugehörige Studie wurde Anfang September in „Nature Energy“ veröffentlicht. Das Forschungsteam um De-en Jiang und Chunsheng Wang will Lithium-Schwefel-Akkus nutzbarer machen. Schließlich ist Schwefel reichlich vorhanden und vor allem günstig. Zudem kann es bei gleichem Gewicht deutlich mehr Energie speichern als die bisher verwendeten Kathodenmaterialien in Lithium-Ionen-Akkus.
Allerdings arbeiten die meisten Lithium-Schwefel-Akkus bisher bei niedriger Spannung. Das ist insofern problematisch, als die speicherbare Energie direkt von Ladung und Spannung abhängt. Dabei tauschen Schwefelatome beim Laden und Entladen normalerweise zwei Elektronen aus. Mit Chlor ändert sich das, und es wird ein drittes Elektron in die Redoxreaktion einbezogen.
Klassische Lithium-Schwefel-Akkus verschenken Jiang zufolge also einen Teil der Redox-Fähigkeit des verwendeten Schwefels. Im Labor konnte das Forscherteam die Ladungsspeicherung des Schwefels in Kombination mit Chlor um circa 58 Prozent steigern und die durchschnittliche Spannung stieg von 2,05 auf 2,54 Volt. So konnten in der Versuchszelle in einem Kilogramm Schwefel über 1700 Wattstunden gespeichert werden.
Der richtige Elektrolyt ist der Schlüssel
Die große Herausforderung war nun, die Reaktion auch umkehrbar zu machen, damit die Batterie wiederholt geladen und entladen werden kann. Schließlich darf die Chlor-Schwefel-Verbindung unter keinen Umständen durch die Batterie wandern und in Reaktion mit der Lithium-Metall-Elektrode treten. Um zu verstehen, wie sich Lithium- und Chlorid-Ionen in verschiedenen Elektrolyten verhalten, nutzte man Molekülsimulationen.
So entstand ein Elektrolyt in Form einer chloridreichen ionischen Flüssigkeit, in dem das Chlorid für die Reaktion verfügbar bleibt. Außerdem wird das Reaktionsprodukt darin kaum gelöst, wodurch es möglich ist, die Reaktion beim Entladen rückgängig zu machen.
Das fehlt für den Weg zur Anwendung noch
Statt der sonst in Laboren üblichen Knopfzellen baute das Team für einen Praxistest direkt eine einlagige Pouch-Zelle. Diese behielt nach 100 Ladezyklen immer noch 78 Prozent ihrer Anfangskapazität. Das ist schon einmal vielversprechend, doch bis zu einem möglichen kommerziellen Einsatz ist der Studie zufolge noch einiges an weiterer Forschung und Arbeit vonnöten.
Schließlich nutzt der Prototyp eine Lithium-Metall-Elektrode mit weniger Schwefel und mehr Elektrolyt, als in einer kommerziellen Batterie sinnvoll wäre. Unter Berücksichtigung der richtigen Bauteile ergibt sich laut den Forschern auf Stack-Ebene eine spezifische Energie von 477 Wattstunden pro Kilogramm. Dies würde einer Steigerung der spezifischen Energie um rund 37 Prozent im Vergleich zur herkömmlichen Lithium-Schwefel-Chemie entsprechen.
Dementsprechend zeigt die neue Studie einen neuen Weg, um Lithium-Schwefel-Zellen effektiv mehr Energie zu entlocken. Allerdings müsste die Haltbarkeit bis zur Serienreife noch deutlich über 100 Zyklen steigen, ein praxistauglicher Aufbau wäre erforderlich und es müsste eine Fertigungslinie entwickelt werden. Ob sich der Ansatz auch auf Zellen übertragen lässt, die tatsächlich mit Lithium-Ionen-Akkus konkurrieren können, muss sich daher erst noch zeigen.
Quellen: Vanderbilt University – New battery chemistry could help lithium-sulfur batteries store more energy / Nature Energy – Chlorine-mediated three-electron sulfur redox for high-energy lithium–sulfur batteries
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