Mit einer theoretischen Kapazität von bis zu 2600 Wattstunden pro Kilogramm könnten Lithium-Schwefel-Akkus die Reichweite von Elektroautos massiv erhöhen. Doch die neue Technologie hat noch gefährliche Tücken.
Ein Konsortium aus internationalen Forschern hat über 100 aktuelle Studien analysiert und das Potenzial von Lithium-Schwefel-Akkus herausgearbeitet. Sie gelten als vielversprechender Nachfolger von Lithium-Ionen-Batterien, da sie eine deutlich höhere Energiedichte bieten, wie es in einer Mitteilung der Universität zu Kiel heißt.
Während in klassischen Zellen Lithium-Ionen zwischen festen Elektrodenmaterialien wandern, laufen in Lithium-Schwefel-Batterien chemische Reaktionen ab, bei denen neue Verbindungen entstehen. Kombiniert werden dabei eine Anode aus metallischem Lithium mit einer Schwefel-Kathode. Diese Materialwahl ermöglicht eine theoretische Energiedichte von 2600 Wattstunden pro Kilogramm, heißt es weiter. Das sei etwa das Zehnfache dessen, was herkömmliche Batterien bislang leisten können. Elektroautos könnten mit Lithium-Schwefel-Batterien deutlich weiter fahren, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen. „Unsere Analyse zeigt, dass Schnellladezeiten unter 30 Minuten – teils sogar unter 15 Minuten – bei gleichzeitiger Kapazitätssteigerung realistisch sind“, sagt Mozaffar Abdollahifar, Batteriegruppenleiter an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.
Technische Herausforderungen
Doch trotz dieser Vorteile hinken Lithium-Schwefel-Batterien in ihrer breiten Anwendung und Kommerzialisierung auf dem Markt Lithium-Ionen-Batterien hinterher, weil technische Hürden im Weg stehen, heißt es weiter. Beim Laden und Entladen dehnt sich die Kathode um bis zu 80 Prozent aus. Das kann die mechanische Stabilität und Lebensdauer beeinträchtigen.
Ein weiteres Problem ist der sogenannte Shuttle-Effekt: Während der Entladung entstehen lösliche Lithium-Polysulfide, die zur Anode wandern und dort unerwünschte Nebenreaktionen verursachen. Diese gelösten Zwischenprodukte wandern zwischen Anode und Kathode hin und her und beeinträchtigen dabei die Lebensdauer und Effizienz der Batterie. Zwar ist die Entstehung dieser Verbindungen unvermeidlich, doch ihr unkontrolliertes Umherwandern stellt ein zentrales Hindernis für den zuverlässigen Betrieb dar. „Außerdem können an der Lithium-Metall-Anode Dendriten – nadelartige Strukturen – wachsen, die Kurzschlüsse auslösen und im schlimmsten Fall Brände verursachen können“, sagt Jakob Offermann, Doktorand am Lehrstuhl für Funktionale Nanomaterialien Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.
Strategien zur Lösung
Um Lithium-Schwefel-Batterien fit für den Praxiseinsatz zu machen, arbeiten die Forscher weltweit an den verschiedenen Stellschrauben. Ein Schwerpunkt liegt auf dem Kathoden-Design: Besonders leitfähige Kohlenstoffstrukturen wie Nanoröhren, Graphen oder Aktivkohle verbessern den Ionentransport und die Schwefelausnutzung, selbst bei hoher Materialbeladung. Der Einsatz von katalytischen Materialien und eine spezielle Kristallform, das sogenannte monokline γ-Schwefel, kann den Shuttle-Effekt verringern.
Ein weiteres Forschungsfeld betrifft die Elektrolyte. Hochkonzentrierte oder feste Elektrolytsysteme sowie spezielle Zusätze erhöhen die Leitfähigkeit, verbessern die Verträglichkeit mit Lithium-Metall und unterdrücken Nebenreaktionen. Um die Bildung gefährlicher Lithium-Dendriten zu vermeiden, setzen die Forscher auf stabile Anoden mit Schutzschichten, darunter 3D-Strukturen und künstliche Grenzflächen. Schließlich kommt auch künstliche Intelligenz zum Einsatz. KI-Methoden helfen, geeignete Materialien schneller zu finden, sagen die Batterieperformance voraus und helfen Ladeprozesse effizient und sicher zu gestalten.
Die Studie wurde von zahlreichen Institutionen aus mehreren Ländern gefördert. Unterstützung kam unter anderem aus einem deutsch-indischen Forschungsprojekt zu Lithium-Schwefel-Batterien, finanziert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Auch ein EU-gefördertes Regionalprojekt in Schleswig-Holstein trug zur Arbeit bei.
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