Mehr als 1.000 km tatsächliche Reichweite: Diese Lithium-Schwefel-Batterie verwendet Chlor, um 477 Wh/kg zu erreichen

Schon seit über 15 Jahren spricht man von einer Batteriechemie mit großem Potenzial – den Lithium-Schwefel-Zellen –, die seit Langem als eine der vielversprechendsten Alternativen angesehen werden, um die Grenzen der aktuellen Batterien zu überwinden. Schwefel ist reichlich vorhanden, relativ günstig und weist eine sehr hohe Speicherkapazität pro Masseneinheit auf, doch seine praktische Anwendung stößt auf verschiedene Probleme, insbesondere im Zusammenhang mit seiner niedrigen Betriebsspannung, der Degradation sowie der Bewegung von Schwefelverbindungen innerhalb der Batterie.

Jetzt hat ein Forschungsteam der Vanderbilt University und der University of Maryland in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern anderer US-Institutionen eine andere Möglichkeit gefunden, die Eigenschaften des Schwefels zu nutzen. Die in Nature Energy veröffentlichte Studie ändert die übliche chemische Reaktion, sodass der Schwefel während des Lade- und Entladevorgangs an einem zusätzlichen Prozess teilnehmen kann.

Der Schlüssel liegt dabei in etwas, das zwar einfach zu erklären ist, aber in der Praxis schwierig umzusetzen ist: Jedes Schwefelatom soll in der Lage sein, ein drittes Elektron auszutauschen. In einer herkömmlichen Lithium-Schwefel-Batterie nimmt der Schwefel an einer Reaktion teil, bei der zwei Elektronen beteiligt sind. Die Forscher haben Chlor hinzugefügt, um diese Reaktion zu erweitern und den Schwefel in einen zusätzlichen chemischen Zustand zu versetzen.

Das Ergebnis ist besonders bemerkenswert, denn es erhöht nicht nur die Menge an Ladung, die Schwefel speichern kann. Die neue Reaktion funktioniert außerdem bei höherer Spannung, wodurch gleichzeitig die beiden Faktoren verbessert werden, die die Speicherkapazität einer Batterie bestimmen: die Ladungsmenge und die abgegebene Spannung.

Das dritte Elektron verändert die Möglichkeiten des Schwefels

In den von dem Team durchgeführten Tests gelang es der neuen Chemie, die spezifische Kapazität des Schwefels um 58 % zu erhöhen, während die durchschnittliche Betriebsspannung von etwa 2,05 auf 2,54 Volt anstieg. Diese Kombination ermöglichte es, ein Niveau von über 1.700 Wh/kg am Elektrodenende zu erreichen – ein außergewöhnlich hoher Wert für eine experimentelle Batterie.

Der Unterschied zu einer herkömmlichen Lithium-Schwefel-Batterie liegt in der zusätzlichen Reaktion, die durch Chlor entsteht. Die Forscher konnten Lithiumsulfid auf reversible Weise in Diclsordisulfid umwandeln, wobei pro Schwefelatom drei Elektronen statt der üblichen zwei beteiligt sind.

Dies ist wichtig, weil Schwefel bereits von vornherein im Vergleich zu anderen in Elektroden verwendeten Materialien eine interessante Position einnimmt. Seine Häufigkeit sowie seine hohe spezifische Kapazität haben dazu geführt, dass er seit Jahren als Alternative zu den derzeit in Lithiumbatterien verwendeten Materialien untersucht wird, doch bislang war es schwierig, sein volles Potenzial auszuschöpfen, ohne neue Probleme zu verursachen.

Das Team musste genau eines dieser Probleme lösen, bevor es den dritten Elektronen auf reversible Weise nutzen konnte. Chlor sollte während des Ladevorgangs mit Schwefel reagieren, ohne dass die entstehende Verbindung sich in der Batterie bewegen und schließlich mit dem metallischen Lithioelektroden reagieren konnte.

Zur Erreichung dieses Ziels wandten die Forscher molekulare Simulationen an, mit denen sie das Verhalten von Lithium- und Chloridionen in verschiedenen Elektrolyten untersuchen konnten. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse entwickelten sie einen chloridreichen flüssigen ionischen Elektrolyt, der in der Lage ist, das Chlorid für die Reaktion mit Schwefel verfügbar zu halten.

Zudem wählten sie eine Zusammensetzung, bei der das durch die Reaktion zwischen Schwefel und Chlor entstehende Produkt sich nicht leicht auflöst. Dadurch bleibt es im positiven Elektrodenmaterial und kann während der Entladung erneut reagieren, wodurch der Prozess rückführbar wird.

Die mit verschiedenen Spektroskopietechniken durchgeführten Tests ermöglichten es, zu bestätigen, dass Schwefel tatsächlich während der Lade- und Entladevorgänge wiederholt in diesen neuen chemischen Zustand übergeht. Es handelt sich somit nicht nur um eine theoretische Schätzung darüber, was Schwefel tun könnte, sondern um eine Reaktion, die die Forscher im Labor beobachten und wiederholen konnten.

Aber es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen der beeindruckenden Zahl von 1.700 Wh/kg und dem, was eine vollständige Batterie erreichen könnte. Dieser Wert bezieht sich auf das Elektrodenniveau und repräsentiert nicht die Energiedichte eines für den Einbau in ein Elektroauto bereiten Batteriepacks. Wenn die Forscher weitere für den Bau einer funktionsfähigen Batterie notwendige Komponenten berücksichtigen, sinkt die Schätzung erheblich.

Konkret schätzt das Team, dass die Technologie auf Batterieebene 477 Wh/kg erreichen könnte – das sind etwa 37 % mehr als das herkömmliche Lithium-Schwefel-System, das in der Studie als Referenz diente. Diese Zahl bleibt weiterhin eine auf dem experimentellen Design basierende Schätzung und keine kommerziell verfügbare Batterie, die derzeit in ein Auto eingebaut werden könnte.

Zur Überprüfung, ob die neue Chemie auch außerhalb der in den frühen Forschungsphasen üblicherweise verwendeten kleinen Zellen funktionieren konnte, bauten die Wissenschaftler außerdem eine einzelschichtige Taschenzelle. Nach 100 Ladezyklen behielt sie noch 78 % ihrer anfänglichen Kapazität.

Dieser Wert zeigt, dass die Reaktion wiederholt werden kann, macht aber auch deutlich, wie viel Arbeit noch vor uns liegt. Die Versuchszelle verwendet einen metallischen Lithiumelektroden, noch relativ geringe Mengen an Schwefel sowie eine Menge an Elektrolyt, die höher ist als in kommerziellen Batterien wünschenswert wäre.

Dort liegt genau eine der großen Herausforderungen, wenn es darum geht, diese Chemie in ein Elektroauto zu übertragen. Es reicht nicht aus, nur eine hohe Energiedichte im aktiven Material zu erreichen. Man muss die Menge des Elektrolyten verringern, den Anteil der aktiven Materialien erhöhen, die Haltbarkeit verbessern, sekundäre Reaktionen kontrollieren und sicherstellen, dass das gesamte System kostengünstig und in großem Maßstab hergestellt werden kann.

Die Forschung zeigt jedoch, dass Schwefel noch Potenzial hat, mehr zu leisten, als ursprünglich angenommen. Anstatt sich darauf zu beschränken, herkömmliche Lithium-Schwefel-Batterien zu verbessern, haben die Forscher die chemische Reaktion selbst verändert, um einen zusätzlichen Elektronen nutzen und gleichzeitig die Betriebsspannung erhöhen zu können.

Für den Moment wäre es unangemessen, über Elektroautos mit Batterien zu sprechen, deren Kapazität 1.700 Wh/kg übersteigt – das würde zwei völlig unterschiedliche Forschungsstufen miteinander verbinden. Diese Zahl bezieht sich auf experimentelle Elektroden. Die Forscher selbst schätzen die Kapazität bei 477 Wh/kg, wenn man die wichtigsten Komponenten des Systems berücksichtigt, und es müssten noch zahlreiche Hindernisse überwunden werden, bevor eine kommerziell verfügbare Batterie entsteht.

Trotzdem ist das Ergebnis für die Automobilindustrie interessant, denn eine Batterie, die in der Praxis einer Kapazität von mehreren hundert Wh/kg nahekommt, würde es ermöglichen, leichtere Batteriepakete für dieselbe Reichweite zu verwenden oder die Reichweite erheblich zu erhöhen, ohne das Gewicht des Fahrzeugs in demselben Maße steigern zu müssen. Genau das ist einer der Gründe, warum Lithium-Schwefel-Batterien seit vielen Jahren im Fokus der Forschung stehen.

Die in Nature Energy veröffentlichte Studie zeigt, dass der Weg dorthin nicht unbedingt darin besteht, nur mehr Material hinzuzufügen oder herkömmliche Elektroden zu verbessern. In diesem Fall bestand die Lösung darin, Schwefel in eine Dreielektronenreaktion einzubeziehen, wobei Chlor sowie ein speziell entwickelter Elektrolyt zum Steuern des Prozesses verwendet wurden.

Die Technologie befindet sich noch in einer sehr frühen Phase, und die Ergebnisse der Zyklenprüfung der Taschenzellen spiegeln diese Situation wider. Doch das Experiment eröffnet neue Perspektiven für Lithium-Schwefel-Batterien und zeigt vor allem, dass es weiterhin Möglichkeiten gibt, mehr Energie aus einem so reichlich vorhandenen Material wie Schwefel zu gewinnen.