Schweflige Hoffnung

In der Vision von der Energieinfrastruktur der Zukunft ist trotz intensiver Bemühungen eine Rolle immer noch unterbesetzt: die des äußerst effizienten, kompakten Energiespeichers. Die derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Akkus werden zwar kontinuierlich verbessert. Aber ein richtiger Star wird aus ihnen wohl nicht werden. BASF und Sion Power aus Tucson in Arizona wollen nun gemeinsam auf einen anderen Kandidaten aufbauen: Lithium-Schwefel-Akkus. Die können im Prinzip mehr Strom speichern als Lithium-Ionen-Akkus, waren bislang jedoch zu teuer, nicht sicher genug und zu aufwändig für eine Massenproduktion.

„Im Vergleich zu den Technologien, die heute in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, soll bei gegebener Größe des Akkus die Reichweite mindestens fünf bis zehn Mal größer werden“, sagt Thomas Weber, Chef von BASF Future Business. Andere Experten halten eine Verdreifachung der Leistungsfähigkeit für realistischer. Doch selbst das wäre ein beachtlicher Fortschritt. Damit er zustande kommt, bringt BASF sein Werkstoff-Knowhow bei Sion Power ein, um dessen Prototypen eines Lithium-Schwefel-Akkus zur Marktreife zu entwickeln.

In dem besteht eine Elektrode aus Lithium, die andere aus Schwefel und Kohlenstoff. Als Ladungsträger dienen auch hier Lithium-Ionen, die zwischen den Elektroden wandern. Die theoretische Kapazität ist jedoch höher als in herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Grund sei der chemische Anlagerungsprozess an der Schwefelelektrode, erläutert Linda Nazar, Chemikerin an der Universität Waterloo in Ontario, Kanada: Jedes Schwefelatom kann zwei Lithium-Ionen binden, während in den heutigen Akkus nur 0,5 bis 0,7 Lithium-Ionen pro Atom des Elektrodenmaterials gehalten werden können.

So weit die Theorie. In der Praxis erwies sich Schwefel allerdings als recht widerspenstig. Da es ein nichtleitendes, isolierendes Material ist, dringen Ladungsträger, also Elektronen oder Ionen, nicht weit in einen Schwefelkörper ein. Deshalb binden nur Atome an dessen Oberfläche Lithium-Ionen, so dass die theoretisch mögliche Anlagerungsquote von 2:1 insgesamt nicht erreicht wird.

Das zweite Problem ist ein chemisches. Wenn ein Schwefelatom zwei Lithium-Ionen bindet, entsteht Dilithiumsulfid. Leider nicht nur: Es bilden sich auch einige Zwischenprodukte, Polysulfide genannt, die sich in dem flüssigen Elektrolyten des Akkus lösen können. Wenn sie sich dann an anderen Stellen im Akku-Innern sammeln und allmählich ablagern, beinträchtigen sie das Laden und Entladen. Dieser Effekt kann einen Lithium-Schwefel-Akku schon nach wenigen Ladezyklen außer Gefecht setzen.

Und auch das Leichtmetall Lithium selbst kann Probleme verursachen. Im Betrieb können an der Lithium-Elektrode Verästelungen aufwachsen, die zunächst den Widerstand der Zelle erhöhen. Dadurch erhitzt sie sich stärker, was einen Kurzschluss bewirken oder das Lithium schmelzen kann. Dringt flüssiges Lithium aus der Zelle heraus und kommt in Kontakt mit Wasser, entzündet es sich (ein im Schulunterricht oft an Natrium demonstrierter Effekt, der typisch für Alkalimetalle ist). Dadurch könnte der Elektrolyt Feuer fangen.

Diese Sicherheitsprobleme will BASF laut Thomas Weber gelöst haben. Genaueres war von ihm aber noch nicht zu erfahren. Es ist durchaus möglich, die Dendriten-Bildung an der Lithium-Elektrode – also die Verästelungen – chemisch weitgehend zu unterbinden. Robuste Membranen aus Polymeren und Keramikverbindungen zwischen den Elektroden könnten verhindern, dass in die Zelle hineinwachsende Lithium-Strukturen einen Kurzschluss verursachen. Die Brandgefahr des Elektrolyten ließe sich verringern, indem man Stoffe mit nicht ganz so mobilen Ladungsträgern nimmt. Die funktionieren auch bei der niedrigeren Spannung der Lithium-Schwefel-Akkus.

An der mangelnden Leitfähigkeit der Schwefelelektrode und der begrenzten Zahl von Ladezyklen arbeitet Sion Power. Der Zell-Prototyp speichert immerhin doppelt so viel Energie wie Lithium-Ionen-Akkus gleicher Größe. Er könne bislang 50 mal wiederaufgeladen werden, sagt John Kopera, aber man plane, auf bis zu 1000 Ladezyklen zu kommen. Das würde bei einem Akku mit 480 Kilometer Reichweite eine Gesamtlaufleistung von rund 480.000 Kilometern bedeuten.

Sowohl BASF als Sion Power sind mit Einzelheiten äußerst zurückhaltend. Ein Paper von Linda Nazar, das in dieser Woche im Journal Nature Materials erscheint (Abstract, zeigt allerdings, wohin die Richtung geht. Bislang versuchten Entwickler, die Schwefelelektrode über Kohlenstoffzusätze leitfähig zu bekommen. Nazar drehte den Ansatz um: Sie stellte mit ihrem Team erst eine Struktur aus Kohlenstoffröhren her, die im Abstand von wenigen Nanometern angeordnet sind (jedoch nicht zu verwechseln mit den bekannten „Nanotubes“). Die Zwischenräume füllten sie dann mit Schwefel. So befinden sich die meisten Schwefelatome in der Nachbarschaft von leitfähigem Kohlenstoff, wodurch sie für die Lithium-Ionen besser erreichbar werden.

Die Kohlenstofföhrenstruktur hilft auch gegen das Polysulfid-Problem, das die Lebensdauer der Zellen bislang so drastisch einschränkt. Die Röhren halten nämlich die Polysulfide so lange fest, bis sie sich vollständig in Dilithiumsulfid umgewandelt haben. Eine weitere Variante ist, die Kohlenstoffröhren mit einem Polymer zu überziehen, an das sich Polysulfide bevorzugt anlagern.

Bislang habe Sion noch nicht mit Nanostrukturen experimentiert, sagt John Kopera, angesprochen auf die Arbeit von Linda Nazar. Die Röhrenstruktur in großen Mengen zu produzieren, sei auch schwierig.

Selbst wenn die technischen und chemischen Probleme gelöst sein sollten, bleibt noch der hohe Preis. Metallisches Lithium, wie man es für die eine Elektrode benötigt, ist die teuerste Form des dritten Elements im Periodensystem. Linda Nazar ist aber zuversichtlich: „Wir sind schon weit gekommen. Die Entwicklungen von meiner Gruppe und von einigen Firmen bringen die Technologie immer näher an ihre Verwirklichung heran.“

Das Paper der Nazar-Gruppe (Abstract frei, Vollversion nur für Abonnenten zugänglich):
Xiulei Ji et al., "A highly ordered nanostructured carbon–sulphur cathode for lithium–sulphur batteries", Nature Materials, 8, 500 - 506 (2009) (nbo)