Bisher kranken Lithium-Ionen-Batterien für Elektroautos an ihrer geringen Leistung, Alternativen wie Lithium-Schwefel-Akkus wiederum haben eine zu geringe Lebensdauer – bisher. Denn deutsche Forscher haben nun diese Batterien durch maßgeschneiderte Kohlenstoffkugeln so verbessert, dass sie drei Mal so viel Energie enthalten wie gängige Elektroauto-Batterien, und auch ausreichend lange halten. Erste Tests sind so erfolgreich, dass diese Akkus die Reichweite und Leistung von Elektroautos deutlich verbessern könnten, so die Forscher.
Um mit einem Elektroauto die gleiche Reichweite zu erzielen, wie mit einem durchschnittlichen Diesel-Fahrzeug, bräuchte es nach aktuellem Stand der Technik eine mehr als 500 Kilogramm schwere Batterie. „Elektroautos lassen sich mit den gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien aufgrund deren geringen Energiedichte nicht wirtschaftlich betreiben“, erklärt Stefan Spange von der Technischen Universität Chemnitz. Die Batterien liefern, bezogen auf ihr Gewicht, einfach zu wenig Energie. Doch Spange und sein Team haben nun Lithium-Schwefel-Batterien so weiterentwickelt, dass sie genau diesen Mangel beheben könnten.
Begrenzte Lebensdauer
Lithium-Schwefel-Batterien bestehen aus einer Schwefel-Elektrode und einer Elektrode aus metallischem Lithium. Die Lithium-Schwefel-Batterie hat eine theoretische Kapazität von 1.672 Milli-Ampere-Stunden pro Gramm. Zum Vergleich: Die in den meisten Laptops verbauten Lithium-Ionen-Akkus erreichen eine theoretische Kapazität von 275 Milli-Ampere-Stunden pro Gramm, also nur rund ein Sechstel. Vorteile einer Lithium-Schwefel-Batterie sind neben dieser hohen Energiedichte der geringe Preis von elementarem Schwefel und dessen Verfügbarkeit in großen Mengen.
Der Nachteil der Lithium-Schwefel-Module: Sie sind nur sehr begrenzt haltbar. Elementarer Schwefel – also die Form, in der Schwefel in der Natur vorkommt – leitet keinen elektrischen Strom. Deshalb kann er nicht direkt als Elektrodenmaterial verwendet werden und wird vorwiegend in Kombination mit Kohlenstoff eingesetzt. Als weiteres Problem gelten Reaktionsprodukte des Schwefels, sogenannte Polysulfide, die im Elektrolyten – der Batterieflüssigkeit – löslich sind. Beim Laden und Entladen löst sich deshalb ständig Material aus der Schwefel-Elektrode heraus. Das führt zu einer schnellen Zerstörung der Batterie, wodurch die erste Generation der Lithium-Schwefel-Zellen eine sehr geringe Lebensdauer aufweist. Zudem ändert sich beim Laden und Entladen das Volumen des Schwefel-Materials, was dieses zusätzlich belastet.
Durch das Verschmelzen von Schwefel mit hohlem Kohlenstoffmaterial konnten kanadische Forscher die Lebensdauer im Jahr 2009 erstmals auf 50 Lade-Entlade-Zyklen steigern. „Das ist immer noch höchst unbefriedigend. Es ist unvorstellbar dem Halter eines Elektrofahrzeuges klarzumachen, dass der Wagen nach 50 `Tankfüllungen´ nicht mehr funktioniert“, so Spange. Genau an dieser Stelle setzen die Arbeiten der Polymerchemiker an: Die Wissenschaftler haben Kohlenstoffmaterialien für die Anwendung in Lithium-Schwefel-Batterien maßgeschneidert.
Kohlenstoffkugeln mit Schwefelfüllung
Falko Böttger-Hiller hat dafür winzig kleine Kohlenstoffhohlkugeln mit Schwefel verschmolzen. „Diese Kohlenstoffhohlkugeln sind miteinander zu einer Art Kohlenstoffschaum verwachsen und verfügen über Hohlräume mit einem Innendurchmesser von sieben Nanometern“, erklärt der Forscher. Sie sind also etwa so groß wie ein Zehntausendstel Haardurchmesser. Diese Kugeln tragen winzige Löcher in ihrer Hülle, die den Schwefel förmlich aufsaugen.
Wie sich in Analysen herausstellte, führt ein hoher Anteil Kohlenstoff zu einer guten Leitfähigkeit des Materials und somit zu einer hohen Kapazität der Batterie. Die Kugelgröße von sieben Nanometern erwies sich als optimal. Denn so sind die Kugeln einerseits groß genug, um den Schwefel gut aufzusaugen und somit seine Auflösung im Elektrolyten zu verhindern. Andererseits sind sie klein genug, um durch ihre Hohlräume die Volumenänderung der Elektrode beim Laden und Entladen zu minimieren. „Diese beiden Aspekte verbessern die Lebensdauer der Batterien immens“, berichtet Böttger-Hiller.
500 Ladezyklen – Batterietests erfolgreich
Der Erfolg zeigte sich auch in Batterietests, die beim Industriepartner BASF durchgeführt wurden. Die maßgeschneiderten Kohlenstoffmaterialien führen demnach zu leistungsfähigen Batterien mit einer Kapazität von rund 900 Milli-Ampere-Stunden pro Gramm – das ist mehr als das Dreifache der Kapazität der heute üblichen Lithium-Ionen-Akkus. Sie laufen stabil für mehr als 500 Lade- und Entlade-Zyklen und weisen auch dann noch rund 70 Prozent ihrer Ausgangsleistung auf. „Nach einem im positiven Sinne aufgeregten Anruf des Industriepartners, der die Batterietests durchgeführt hat, wurde uns bewusst, dass wir es geschafft haben“, so der Forscher.
„Diese Arbeit wird nicht nur den Weg hin zu Batterien mit hohen spezifischen Energien für tragbare Elektronik und Elektroautos ebnen, sondern auch bei der Entwicklung neuer Superkondensatoren und Katalysatorträger eine große Rolle spielen“, schätzt Spange ein und ergänzt: „Eine Besonderheit des in Chemnitz entwickelten Prozesses ist die Möglichkeit, nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien nach einem einfachen, modularen Prinzip gezielt aufzubauen. So ist, im Gegensatz zu anderen Arbeiten, die gezielte Herstellung speziell für eine Anwendung angepasster Kohlenstoffe möglich.“ (Angewandte Chemie, 2013;
doi: 10.1002/ange.201209849)
(Technische Universität Chemnitz, 28.06.2013 – NPO)
