Mehr Power dank Eisensulfid

Mit einem neuen chemischen Ansatz will die britische Firma Qinetiq Lithium-Ionen-Akkus endlich auch für Elektro- und Hybridautos fit machen. Die Steigerung von Energie- und Leistungsdichte ist vielversprechend – jedenfalls im Labor.

Einen neuen Kniff, wie man aus Lithium-Ionen-Akkus mehr herausholen kann, hat möglicherweise die britische Militärtechnik-Firma Qinetiq gefunden. Sie testet derzeit eine Variante des Energiespeichers, die mit Lithium-Ionen-Eisensulfid arbeitet und sich sowohl für Elektro- als auch für Hybridautos eignet.

Der neue chemische Ansatz habe mehrere Vorteile, sagt Gary Mepsted, bei Qinetiq für Energietechnologien verantwortlich. Zum einen halbiere er die Herstellungskosten, zum anderen verlängere er die Lebensdauer und verkürze die Ladezeit im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Dritter Pluspunkt: Die Energiedichte ist laut Mepsted 1,6-mal höher – was die Reichweite eines Elektroautos erhöhen würde. Die Leistungsdichte liege beim 1,5-fachen. Dadurch könnte Energie nicht nur schneller aus einer Quelle gezogen, sondern in den Leistungsspitzen auch schneller an den Motor abgegeben werden.

Seit langem gelten Lithium-Ionen-Akkus als vielversprechende Alternative zu Nickel-Metallhydrid-Akkus, die gegenwärtig in Wagen mit Hybrid-Antrieb Standard sind. Doch ungeachtet relativ niedriger Produktionskosten und einer doppelt so hohen Speicherkapazität haben sich Ingenieure damit schwer getan, Lithium-Ionen-Akkus an den Einsatz in Autos anzupassen.

Für rein elektrisch betriebene Autos sei die Energiedichte entscheidend, weil davon die Strecke zwischen den Ladevorgängen abhänge, sagt Mepsted. Für Hybrid-Autos ist wiederum die Leistungsdichte wichtig, weil im Wechselspiel zwischen Elektro- und Verbrennungsmotor Strom möglichst schnell aufgenommen oder abgegeben werden sollte. Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus seien hierfür bislang nicht sonderlich geeignet gewesen.

Neben diesen technischen Eigenschaften müsse man aber auf die Sicherheit der Energiespeicher gewährleisten, fügt Jeff Dahn, Physiker an der Dalhousie University im kanadischen Halifax, an. Bei kleinen Geräten wie Handys sei dies kein großes Problem. „Es ist aber schwierig, große Speicherzellen stabil zu halten, wenn sie übermäßig beansprucht werden“, so Dahn. Und bei Zusammenstößen könnten solche Zellen leicht anfangen zu brennen oder gar explodieren.

Der Ansatz von Qinetiq besteht darin, die Kathode – also die Elektrode, die Elektronen aufnimmt – aus Lithium-Ionen-Eisensulfid zu fertigen statt wie bisher üblich aus Lithium-Kobaltoxid. Weil dabei für jedes Sulfid-Ion zwei Lithium-Ionen freigesetzt werden, erhöht sich die Energiedichte sprunghaft.

Dahn warnt allerdings davor, die von Qinetiq verwendete Chemie zu unterschätzen. Eisensulfid senke zwar die Kosten, sei aber in der Produktion nicht leicht zu handhaben. „An der Luft ist Eisensulfid stabil, aber wenn es mit Lithium reagiert, wird es instabil“, erläutert Dahn.

Qinetig will dieses Problem gelöst haben, nennt aber keine Details. Die Kostenersparnis gegenüber Nickel-Metallhydrid-Elektroden belaufe sich nach ersten Schätzungen zumindest für geringe Produktionsmengen auf die Hälfte, sagt Mepsted.

Den neuen Akku hat Qinetiq gemeinsam mit dem britischen Autozulieferer Ricardo entwickelt, als Teil eines zweijährigen, mit knapp zwei Millionen Pfund (2,2 Mio. Euro) finanzierten Projekts. Bislang wurde der Energiespeicher aber nicht unter realen Bedingungen getestet – die um 50 Prozent größere Leistungsdichte ist zunächt nur im Labor gemessen worden. „Bevor der Akku in die Produktion gehen kann, muss die Zellchemie noch weiter verbessert werden“, räumt Colin Wren, Forscher bei Ricardo, ein. (nbo)