Lithium-Schwefel-Batterien bald Wirklichkeit?

Erfolge in der Entwicklung

Wissenschaftler berichten in Nanoletters, sie hätten Hindernisse beim Bau von Lithium-Schwefel-Akkus (Li-S) überwunden, einem Akku-Modell, das die Lithium-Ionen-Technologie überflügeln könnte. Lithium-Schwefelakkus haben das größte Potenzial von allen derzeit untersuchten Alternativen zu heutigen Lithium-Ionen-Konzepten.

Lithium-Schwefel-Batterien sind äußerst vielversprechend für die Anwendung in zukünftigen Energiespeichersystemen. Neuartige Materialien wie nanostrukturierte Kohlenstoff/Schwefel-Kathoden, Festkörperelektrolyte und Legierungs-Anoden lassen signifikante Verbesserungen der Zellleistung und Lebensdauer der Batterien erhoffen.

Xingcheng Xi (re.), Forscher bei General Motors und seine Kollegen weisen darauf hin, dass die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien in vielen unserer elektronischen Geräte und Elektrofahrzeuge weitgehend an ihre Grenzen stoße. Die Wissenschaftler versuchen also, neue Batterietechnologien zu finden, um dies zu überwinden.

Eine Schlüsselkomponente der Batterie, in der Regel ein Metalloxid, wurde daher einer Revision unterzogen. Die Forscher versuchten, das Metalloxid durch Schwefel zu ersetzen – einem billigeren und leichteren chemischen Element – und Lithium-Schwefel-Batterien zu entwickeln. Theoretisch könnten solche Batterin fünf- bis achtmal mal mehr Energie speichern als die aktuelle Lithium-Ionen-Technologie. Ein großes Problem dabei ist jedoch, dass die Li-S-Verbindungen im Einsatz verdampfen, was schnelle Batterieentladung bedeutet. So suchte das Team ein Mittel, um die Bestandteile zu erhalten.

[note Schematische Darstellung der Entwicklungsziele bei Lithium-Schwefel-Zellen mit intrinsisch sicheren, einfach zu verarbeitenden Elektrodenmaterialien; erste Zellen können als Pilot-Batteriemodul in einer autonomen Fluganwendung zum Einsatz kommen – © Fraunhofer IVI Dresden]

Um das Problem zu lösen, stellten die Forscher winzige leeren Schalen aus Kohlenstoff her, der leitfähig ist. Sie wurden dann mit einem Polymer beschichtet ist, um die Li-S-Verbindung aufnehmen zu können. Bei den Versuchen zeigten die  Strukturen eine hohe Energie-Speicherkapazität (630 mAh/g gegen weniger als 200 mAh/g für Lithium-Ionen-Batterien) und mehr als 600 Zyklen rascher Ladung und Entladung. Die Forscher zogen daraus den Schluss, dass die Ergebnisse vielversprechende Anzeichen und neue Konzepte für zukünftige Batterien auf Schwefelbasis lieferten.

[note Lithium-Schwefel-Batterien sind wesentliche Hoffnungsträger der Elektromobilität. Hohe spezifische Energiedichten von mehr als 600 Wh/kg werden für Li-S-Zellen erwartet, was gegenüber Li-Ionen-Technologie mit max. 250 Wh/kg eine erhebliche Steigerung der Reichweite für Elektrofahrzeuge bedeuten würde. Zugleich wird das teure Kathodenmaterial herkömmlicher Li-Ionen-Zellen durch kostengünstigen, ungiftigen und nahezu unbegrenzt verfügbaren Schwefel abgelöst. Weiterhin bestehen jedoch große Herausforderungen in der Umsetzung der Konzepte zu Hochenergiezellen mit genügender Zyklenstabilität. Am Fraunhofer IWS arbeiten Forscher seit circa fünf Jahren an der Entwicklung geeigneter Elektrodenmaterialien und Produktionsverfahren für eine kostengünstige Hochenergiezelle auf Basis der Lithium-Schwefel-Technologie. Durch verbesserte Elektrodenmaterialien konnten Prototypzellen aufgebaut werden, die neben einer hohen Kapazität über 4.000 reversible Lade- / Entladezyklen erreicht haben.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen arbeiten nun im Rahmen des strategischen Eigenforschungsprojektes „LiScell“ vier Fraunhofer-Institute unter der Leitung des Fraunhofer IWS an weiterführenden Fragestellungen zur Materialentwicklung, skalierbaren Herstellungsverfahren für Anoden und Kathoden als Rollenware und zum Aufbau von Zellen sowie Modulen inklusive Batteriemanagementsystem.
Aktuelle Entwicklungen rund um das Thema „Lithium-Schwefel-Batterie“ werden am 12. und 13.11. 2014 beim Li-S-Workshop in Dresden vorgestellt und mit internationalen Experten aus Wissenschaft und Industrie diskutiert.]

Artikel in Nanoletters: Polydopamine-Coated, Nitrogen-Doped, Hollow Carbon–Sulfur Double-Layered Core–Shell Structure for Improving Lithium–Sulfur Batteries

Abstract: To better confine the sulfur/polysulfides in the electrode of lithium–sulfur (Li/S) batteries and improve the cycling stability, we developed a double-layered core–shell structure of polymer-coated carbon–sulfur. Carbon–sulfur was first prepared through the impregnation of sulfur into hollow carbon spheres under heat treatment, followed by a coating polymerization to give a double-layered core–shell structure. From the study of scanning transmission electron microscopy (STEM) images, we demonstrated that the sulfur not only successfully penetrated through the porous carbon shell but also aggregated along the inner wall of the carbon shell, which, for the first time, provided visible and convincing evidence that sulfur preferred diffusing into the hollow carbon rather than aggregating in/on the porous wall of the carbon. Taking advantage of this structure, a stable capacity of 900 mA h g–1 at 0.2 C after 150 cycles and 630 mA h g–1 at 0.6 C after 600 cycles could be obtained in Li/S batteries. We also demonstrated the feasibility of full cells using the sulfur electrodes to couple with the silicon film electrodes, which exhibited significantly improved cycling stability and efficiency. The remarkable electrochemical performance could be attributed to the desirable confinement of sulfur through the unique double-layered core–shell architectures.

->Quellen: