Ist Schwefel die Zukunft für günstigere und bessere Batterien?
Lithium-Schwefel-Batterien könnten sowohl das Gewicht als auch die Kosten von Batterien senken – wenn sie denn halten.
(Bild: P5h / Shutterstock.com)
- Casey Crownhart
Batterien sind bereits der Dreh- und Angelpunkt für bestimmte Bereiche unseres Lebens: sowohl für den Antrieb einer zunehmend elektrisch betriebenen Fahrzeugflotte, als auch für die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen im Netz. Heute sind Lithium-Ionen-Batterien die vorherrschende Wahl für beide Branchen.
Doch je größer der Bedarf an Batterien wird, desto schwieriger wird es, die benötigten und teils unter umstrittenen Bedingungen geförderten Materialien wie Kobalt und Nickel zu finden. Eine Alternative könnte in einem günstigen, reichlich vorhandenen Material liegen: Schwefel.
Das US-amerikanische Start-up Lyten plant, noch in diesem Jahr begrenzte Mengen von Lithium-Schwefel-Zellen, die aneinandergereiht werden können, um Batterien unterschiedlicher Größe zu bauen, an seine ersten Kunden zu liefern. Dazu gehören Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigungsindustrie. Bewähren sie sich, könnten sie mittelfristig auch in Elektroautos zum Einsatz kommen.
Wenn es um neue Optionen für Batterien gehe, "brauchen wir etwas, das wir in großen Mengen und schnell herstellen können. Da kommt Lithium-Schwefel genau richtig", sagt Celina Mikolajczak, Chief Battery Technology Officer bei Lyten. Schwefel sei reichlich vorhanden und preiswert, weshalb Lithium-Schwefel-Batterien viel günstiger hergestellt werden könnten. Die Materialkosten seien etwa halb so hoch wie die von Lithium-Ionen-Zellen, sagt Mikolajczak.
Geringes Gewicht, hohe Volatilität
Die Lithium-Schwefel-Batterien könnten die Lithium-Ionen-Batterie zudem in einem entscheidenden Punkt übertreffen: der Energiedichte. Eine Lithium-Schwefel-Batterie kann fast doppelt so viel Energie speichern wie eine Lithium-Ionen-Batterie mit demselben Gewicht. Das ist vor allem für Elektrofahrzeuge von Vorteil, denn geringeres Gewicht bedeutet eine höhere Reichweite. Es gibt jedoch noch große technische Hindernisse, die Lyten überwinden muss, damit seine Produkte für den Einsatz in Elektroautos bereit sind, etwa was die Langlebigkeit angeht.
Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien für Elektroautos können 800 Zyklen oder mehr überstehen. Das heißt, sie können 800 Mal entladen und wieder aufgeladen werden. Lithium-Schwefel-Varianten neigen dazu, sich viel schneller zu zersetzen. Aktuell überstehen sie etwa 100 Zyklen, sagt Shirley Meng, Batterieforscherin an der University of Chicago und dem Argonne National Laboratory.
Das liegt daran, dass sich die chemischen Reaktionen, die Lithium-Schwefel-Batterien antreiben, nur schwer eindämmen lassen. Unerwünschte Reaktionen zwischen Lithium und Schwefel verkürzen die Lebensdauer der Batterien.
Lyten ist nicht das erste Unternehmen, das sich mit vielversprechenden Lithium-Schwefel-Batterien beschäftigt. An der Technologie wird bereits seit Jahrzehnten geforscht. Einige Firmen, wie das britische Unternehmen Oxis Energy, wurden geschlossen, während sich andere, darunter Sion Power, von Lithium-Schwefel abwandten. Aber die wachsende Nachfrage nach Alternativen und ein gestiegenes Interesse an alternativen Batterien könnten dazu führen, dass Lyten dort Erfolg hat, wo frühere Bemühungen gescheitert sind, sagt Meng.
Graphen als Hilfsmaterial
Laut Firmensprecherin Mickolajczak hat Lyten Fortschritte bei der Verlängerung der Lebensdauer seiner Batterien gemacht, wobei einige Muster kürzlich sogar 300 Zyklen erreichten. Sie führt den Erfolg auf das 3D-Graphenmaterial von Lyten zurück, das unerwünschte Nebenreaktionen verhindert und die Energiedichte der Zelle erhöht. Das Unternehmen will 3D-Graphen, das eine kompliziertere Struktur als die zweidimensionale Variante aufweist, auch in anderen Produkten wie Sensoren und Verbundwerkstoffen einsetzen.
Trotz der jüngsten Fortschritte ist Lyten noch weit davon entfernt, Batterien herzustellen, die lange genug halten, um ein Elektroauto zu betreiben. In der Zwischenzeit will das Unternehmen seine Zellen dort auf den Markt bringen, wo die Lebensdauer nicht ganz so wichtig ist. Da Lithium-Schwefel-Batterien extrem leicht sein können, arbeitet das Unternehmen mit Kunden zusammen, die etwa Drohnen bauen, bei denen ein häufiger Batteriewechsel die Gewichtsersparnis wert wäre, sagt der Chief Sustainability Officer von Lyten Keith Norman.
Das Unternehmen eröffnete 2023 eine Pilotproduktion mit einer maximalen Kapazität von 200.000 Zellen pro Jahr. Vor kurzem wurde mit der Produktion einer kleinen Anzahl von Zellen begonnen, die noch in diesem Jahr an zahlende Kunden geliefert werden sollen. Welche Kunden das im Detail sind, sagt Lyten nicht.
Auch wenn Lithium-Schwefel-Batterien noch am Anfang stehen, glaubt Lyten an das Potenzial: Wie Celina Mikolajczak betont, haben sich Lithium-Ionen-Batterien in Bezug auf Kosten, Lebensdauer und Energiedichte immer weiter verbessert. Das erhoffe man sich auch von der alternativen Technologie. Niedrigere Materialkosten sind schon mal ein guter Anfang.
(jle)