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Akku Wie Quarz die Kapazität von Lithium-Schwefel-Akkus erhöht

Jan Berndorff *

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Lithium-Schwefel-Akkus könnten deutlich mehr Energie liefern als Lithium-Ionen-Akkus, wäre da nicht der hohe Kapazitätsverlust. Quarzpulver schafft Abhilfe.

Forscherin Claire Villevieille: Die Gruppenleiterin Batteriematerialien des PSI am Gerät für Röntgendiffraktion.(Bild: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)
Forscherin Claire Villevieille: Die Gruppenleiterin Batteriematerialien des PSI am Gerät für Röntgendiffraktion.
(Bild: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)

Eine Methode, die dem Lithium-Schwefel-Akku zum Durchbruch verhelfen könnte, haben Materialforschende des Paul Scherrer Instituts PSI (Schweiz) mit der Universität Grenoble Alpes (Frankreich) entwickelt.

Lithium-Schwefel-Akkus können theoretisch deutlich mehr Energie liefern als die heute üblichen Lithiumionen-Akkus, die heutigen Prototypen verlieren aber schon nach wenigen Ladezyklen merklich an Kapazität.

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Daher sind sie bislang für eine breite Nutzung, etwa in Elektroautos, nicht geeignet. Die Forschenden konnten mit ihrer neuen Methode nun entscheidende Einsichten gewinnen, wie es zu dem schnellen Kapazitätsverlust kommt. Und sie zeigten:

Mischt man Quarzpulver als Zusatz in die flüssige Komponente des Akkus, lässt sich der Verlust verlangsamen. Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in der neuesten Ausgabe des Fachjournals Nature Energy.

Der Lithium-Schwefel-Akku gilt als ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Energiespeicher: Die benötigten Materialien sind kostengünstig, umweltfreundlich und leicht verfügbar.

Vor allem kann dieser Akku theoretisch rund drei Mal so viel Energie liefern als der heute weit verbreitete Lithiumionen-Akku. Allerdings gibt es in der Praxis noch einige Hürden: Beispielsweise verliert der Lithium-Schwefel-Akku bei wiederholtem Aufladen schnell an Kapazität.

Heutige Prototypen schaffen bei weitem nicht so viele Ladezyklen wie herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus – und liefern zudem nur einen Bruchteil der theoretisch möglichen Energie.

Polysulfid-Shuttle im Lithium-Schwefel-Akku

Wenn ein Lithium-Schwefel-Akku genutzt wird, gehen Lithiumionen von der Anode (Minuspol) zur Kathode (Pluspol) über. Dort reagieren die Lithiumionen mit den Schwefelpartikeln der Kathode zu verschiedenen löslichen Lithium-Schwefel-Molekülen, sogenannten Lithium-Polysulfiden und schließlich zu unlöslichem Lithiumsulfid.

Beim Wiederaufladen des Akkus entsteht daraus wieder elementarer Schwefel. Dies ist der reguläre Entlade- und Ladeprozess, der für sich gesehen keine Probleme im Betrieb des Akkus darstellen sollte.

Ein unerwünschter Effekt in den Lithium-Schwefel-Akkus ist jedoch, dass ein Teil der Polysulfide in den Elektrolyt übergeht, also in die flüssige Komponente zwischen den beiden Elektroden. Hier schwimmen diese Polysulfide bei jedem Lade- und Entladevorgang des Akkus zwischen Kathode und Anode hin und her. Dies ist der sogenannte Shuttle-Effekt. Dabei lagert sich wiederum ein Teil der Sulfide an der aus Lithium bestehenden Anode des Akkus ab.

Je häufiger der Akku ge- und entladen wird, desto mehr Sulfide sammeln sich an der Anode an. Dadurch beeinträchtigen sie das Laden und Entladen des Akkus. Nach mehreren Ladezyklen kann dies den Akku merklich schwächen.

Wie sich Lithium-Schwefel-Verbindungen im Akku verändern

Forschende im PSI-Labor für Elektrochemie gewannen neue Einblicke in die verantwortlichen Vorgänge, indem sie eine spezielle Untersuchungsmethode mit Röntgenlicht entwickelten und diese nutzten, um die chemischen Reaktionen innerhalb des Akkus zu verfolgen.

Sie machten damit erstmals direkt sichtbar, wie sich Lithium-Schwefel-Verbindungen im Akku verändern und wie es infolge dessen zum Kapazitätsverlust kommt. Und sie beobachteten erstmals, wie gewöhnliches Quarzpulver – der Hauptbestandteil von Sand und die Hauptzutat von Glas – den Lithium-Schwefel-Akku verbessert:

Als Zusatz in der flüssigen Komponente des Akkus steigert es die verfügbare Energie und dämmt den mit der Zeit eintretenden Kapazitätsverlust ein. Dass Quarzpulver mit den Materialien in Lithium-Schwefel-Akkus wechselwirkt, hatten vorab schon andere Forschungsgruppen festgestellt.

Die PSI-Forschenden bezifferten nun den Vorteil des Quarzpulvers: „Mit diesem Zusatz leistet ein Lithium-Schwefel-Akku 25 bis 30 Prozent mehr“, sagt die PSI-Forscherin Claire Villevieille, Mitautorin der Studie. „Wir haben das Quarzpulver dem Elektrolyten – also der flüssigen Komponente des Akkus – einfach zugegeben wie Waschpulver in die Wäsche“, so Villevieille.

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