Lithium-Schwefel-Batterien: Forscher entdecken Ursachen für einige Schwächen

Weltweit wird an zahlreichen elektrochemischen Systemen gearbeitet, die höhere Energiedichten als Lithium-Ionen-Batterien erreichen könnten. Festkörperbatterien auf der Basis von Lithium und Schwefel zählen dazu. Theoretisch können Lithium-Schwefel-Batterien eine gravimetrische Energiedichte von knapp 2600 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) erreichen. Prototypen erreichen im Labor bisher etwa 350 Wh/kg und damit immerhin schon rund das Doppelte von Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings hapert es noch an kurzen Ladezeiten und einer verlässlichen Langzeitstabilität. Mithilfe von Neutronen fanden nun Forschende um Robert Bradbury vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) die Ursache für einige Schwächen der Lithium-Schwefel-Batterien.

Für ihre Analyse bauten Bradbury und Kollegen eine spezielle Zelle, um den Transport von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode genauer zu beobachten. Ihre Probezelle setzten sie Neutronen aus, die empfindlich auf Lithium reagierten. Neutronenradiographie und Neutronentomographie offenbarten, wie sich die Lithium-Ionen durch die Kathode der Batterie ausbreiteten. Dieser Prozess verlief erstaunlich langsam und begrenzte dadurch die Leistung der Batterie. Zudem konzentrierte sich das Lithium während des Ladens in der Nähe des Stromabnehmers. "Dies führt zu einer verminderten Kapazität, da nur ein Teil des Lithiums beim Aufladen der Batterie zurücktransportiert wird", sagt Bradbury.

Schwächen von Lithium-Schwefel-Batterien

Diese Messungen offenbarten damit bisher übersehende Schwächen von Lithium-Schwefel-Batterien. Die beobachtete inhomogene Lithiumverteilung ließ sich zusätzlich mit Modellrechnungen nachvollziehen. So können nun Entwickler von Lithium-Schwefel-Batterien auf dieser Grundlage gezielt an Verbesserungen für einen schnelleren Ionentransport innerhalb der Batterie arbeiten.

Ob und wann Lithium-Schwefel-Batterien gut und günstig genug sein werden, um etwa Elektromobilen große Reichweiten von 1000 Kilometern und mehr zu bescheren, lässt sich heute noch nicht sagen. Immerhin kündigt das Berliner Start-Up Theion bereits für dieses Jahr erste Muster so genannter "Kristallbatterien" auf Lithium-Schwefel-Basis an, die in einer Kleinserie gefertigt werden sollen. Weitere Fortschritte werden Vertreter von mehreren Forschergruppen Anfang Juli auf dem bereits zehnten Workshop zu Lithium-Schwefel-Batterien in Dresden austauschen. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass dort auch die jüngst veröffentlichten Neutronen-Messungen intensiv diskutiert werden.

(jle)