Forscherteam will Potenzial von Lithium-Schwefel-Batterien weiter steigern

Forscher der Vanderbilt University und der University of Maryland haben eine neue Zellchemie vorgestellt, die die Energiedichte von Lithium-Schwefel-Batterien signifikant steigern könnte. Durch die Integration von Chlor ermöglicht der Ansatz eine zusätzliche Elektronenübertragung bei höherer Spannung.

Grafik: Vanderbilt University

Lithium-Schwefel-Batterien gelten seit Langem als vielversprechende Alternative zu klassischen Lithium-Ionen-Zellen, da Schwefel reichlich vorhanden ist und pro Gewicht deutlich mehr Ladung speichern kann. Bislang erwies sich jedoch die Umsetzung als schwierig, sie haltbar und praxistauglich zu machen.

In einer in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ veröffentlichten Studie beschreibt das Team von den US-Hochschulen Vanderbilt University und University of Maryland nun einen neuen Ansatz, bei dem Schwefel an einer zusätzlichen energiespeichernden Reaktion teilnimmt. Das Resultat ist ein auf Schwefel basierender Akku, der bei einer höheren durchschnittlichen Spannung arbeitet und mehr Ladung speichert.

Prototyp der Lithium-Schwefel-Batterie konnte 1.700 Wattstunden Energie speichern

Während in herkömmlichen Systemen jedes Schwefelatom zwei Elektronen austauscht, integriert das neuartige System auch Chlor, um ein drittes Elektron zu übertragen. In Labortests steigerte dies die Speicherkapazität von Schwefel um rund 58 Prozent und hob die durchschnittliche Betriebsspannung von etwa 2,05 Volt auf 2,54 Volt an. Durch die Kombination aus gesteigerter Ladungsspeicherfähigkeit und erhöhter Spannung konnte ein Kilogramm Schwefel in der experimentellen Testzelle mehr als 1.700 Wattstunden an Energie speichern.

Um die Reversibilität zu sichern, nutzten die Forscher Molekularsimulationen für das Design eines Elektrolyten. Dieser hält das Chlor reaktiv und verhindert gleichzeitig, dass sich das entstehende Schwefel-Chlor-Produkt auflöst und zur Lithium-Metall-Anode wandert.

78 Prozent Kapazität nach 100 Ladezyklen

Verschiedene Spektroskopietechniken bestätigten, dass sich Schwefel während der Lade- und Entladevorgänge wiederholt durch den neuen Zustand bewegt. Eine aufgebaute Pouch-Zelle behielt nach 100 Ladezyklen 78 Prozent ihrer anfänglichen Kapazität.

Bis zur kommerziellen Nutzung ist aber noch viel Arbeit erforderlich, da der Prototyp eine Lithium-Metall-Anode sowie größere Mengen an Elektrolyt nutzt. Unter Berücksichtigung aller wesentlichen Batteriekomponenten – und nicht nur der Elektrode allein – schätzen die Wissenschaftler, dass der Ansatz eine gravimetrische Energiedichte auf Zellebene von 477 Wh/kg ermöglichen könnte. Dies entspräche einem Wert von rund 37 Prozent über dem vergleichbaren konventionellen Lithium-Schwefel-System.

„Die traditionelle Sichtweise auf Lithium-Schwefel-Batterien lässt einen Teil der Redox-Leistung des Schwefels ungenutzt“, sagte De-en Jiang, Professor für Chemische Verfahrenstechnik und Chemie an der Vanderbilt University sowie Co-Korrespondenzautor der Studie. „Wir wollten herausfinden, ob wir die Redox-Fähigkeit von Schwefel erweitern und sie nutzen können, um mehr Energie zu speichern.“