Mehr Stabilität für Lithium-Schwefel-Batterien

Etwa 300 bis 400 Kilometer legen heutige Elektroautos mit einer Ladung ihrer Lithium-Ionen-Batterien zurück. Mindestens die doppelte Reichweite wäre prinzipiell mit Lithium-Schwefel-Batterien möglich. Allerdings zersetzen sich die Elektroden dieser Stromspeicher bereits nach einigen Ladezyklen. Mit einer speziellen Materialmischung für die Kathode ließe sich dieses Manko beheben, berichten Wissenschaftler nun in der Fachzeitschrift „Science Advances“. Ihre Prototypen einer Lithium-Schwefel-Batterie hielten nun immerhin mehr als zweihundert Ladezyklen stand – ohne größere Verluste an Ladekapazität.

Der Grund für die geringe Haltbarkeit von Lithium-Schwefel-Batterien: Während des Entladens dehnt sich die Kathode um knapp achtzig Prozent aus. Im Fall von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien sind es nur etwa zehn Prozent. Beim Aufladen schrumpft die Kathode wieder. Durch dieses „Atmen“ werden der Zusammenhalt der Elektrodenmaterialien und damit auch die Ladekapazität nach und nach zerstört. Um die Kathode aus Schwefel und Kohlenstoff zu stabilisieren, setzten Mainak Majumder von der Monash University im australischen Clayton und seine Kollegen nun Carboxymethylcellulose als Bindemittel ein.

Die Kathoden der ersten Prototypen bestanden zu siebzig Prozent aus Schwefel, zu zwanzig Prozent aus Kohlenstoff und zu zehn Prozent aus Carboxymethylcellulose. Beim Entladen der Batterie wanderten Lithiumionen von der Anode zur Kathode und bildeten dort verschiedene Lithium-Schwefel-Verbindungen. Beim Laden kehrte sich dieser Prozess um. Dank des Bindemittels blieben die Materialien in der Kathode auch im ausgedehnten Zustand über kleine Brücken miteinander verbunden. Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop bestätigten dieses Verhalten, das die Stabilität der Kathoden erheblich steigert.

Weitere Messungen ergaben, dass die Kathoden der neuen Lithium-Schwefel-Batterien eine spezifische Kapazität von mehr als 1200 Milliamperestunden pro Gramm erreichten – ein Vielfaches von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Zwar kommen die Forscher um Majumder der Marktreife dieses Batterietyps näher, doch für einen kommerziellen Einsatz müsste der Stromspeicher einige Tausend Ladezyklen mit möglichst geringem Kapazitätsverlust überstehen – und nicht wie bisher nur rund zweihundert Zyklen.

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.