Batterie: Forscher steigern Energiedichte enorm
Forschende zeigen, wie eine spezielle Chemikalie die Elektronenübertragung in einer Lithium-Schwefel-Batterie verbessert und deren Eigenschaften optimiert: ein Sprung in Richtung Praxis.
Bessere Akkus durch ein Redox-aktives Molekül: Bei Lithium-Schwefel-Batterien ist Forschenden jetzt ein Durchbruch gelungen.
Foto: Panthermedia.net/sdecoret
Elektromobilität ist die zentrale Strategie zur Energiewende im Verkehr – vorausgesetzt, es gelingt Ingenieurinnen und Ingenieuren, leistungsfähige Akkumulatoren zu entwickeln. Lithiumbatterien werden heute in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, die von tragbarer Elektronik über Elektrofahrzeuge bis hin zu Energiespeichersystemen im Netz reichen. Unter den verschiedenen Lithiumbatterien hat sich die Lithium-Ionen-Batterie am meisten durchgesetzt. Sie nähern sich jedoch ihrer theoretisch möglichen maximalen Energiedichte und können mit den Anforderungen für neue Technologien kaum noch Schritt halten.
Schon lange zählen Lithium-Schwefel-Batterien aufgrund ihrer extrem hohen möglichen Energiedichte als vielversprechende Energiespeicher der nächsten Generation. Theoretische Werte liegen bei 2,6 kWh/kg, wobei Forschende von vollständigen Umsätzen der verwendeten Chemikalien ausgehen. Außerdem ist der bei Kathoden verwendete Schwefel reichlich vorhanden, umweltfreundlich und kostengünstig abzubauen.
Bleibt als Problem: Die tatsächliche, technisch erreichbare Energiedichte von Lithium-Schwefel-Batterien ist meilenweit vom theoretischen Wert entfernt. Das liegt vor allem an langsamen Redox-Reaktionen der Kathode. Während des Ladevorgangs wird Lithiumsulfid (Li2S) formal in Lithium und Schwefel gespalten; während der Entladung entsteht aus Lithium und Schwefel erneut Lithiumsulfid. Während dieses Umwandlungsprozesses ist die Kinetik, also die Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen, sehr träge. Dieses Problem würde sich unter den rauen Arbeitsbedingungen in der Praxis noch verschlimmern. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus China ist es nun gelungen, mit einem Redox-aktiven Molekül die Kinetik der kathodischen Reaktion entscheidend zu verbessern.
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Der mühsame Weg, um Lithium-Schwefel-Batterien zu optimieren
Ihr Projekt war alles andere als einfach. In den letzten Jahren haben die Forscherinnen und Forscher etliche Moleküle als Promotoren für Elektronenübergänge getestet. Neue Substanzen wurden als Zwischenschichtmaterialien in Lithium-Schwefel-Batterien eingebaut, um die Kinetik zu verbessern. Bei Labortests zeigte sich jedoch ein Problem. Selbst mit diesen Stoffen nahm die Batterieleistung allmählich ab, weil sich feste Lithiumsulfid-Ablagerungen auf den elektrokatalytisch aktiven Stellen angesammelt haben. Diese Niederschläge stehen für Redox-Reaktionen nicht mehr zur Verfügung.
Bei weiteren Untersuchungen haben die Ingenieurinnen und Ingenieure festgestellt, dass lösliche Redox-Mediatoren die Kinetik wirksam fördern könnten. Diese speziellen Moleküle reduzieren oder oxidieren Lithium-Polysulfide chemisch. Im nächsten Schritt werden sie chemisch an der Oberfläche der Elektrode regeneriert. Redox-Mediatoren sind an und für sich nicht neu; sie werden schon bei Knopfzellen eingesetzt. Die Idee war, Erkenntnisse auf Lithium-Schwefel-Batterien zu übertragen. Im Labor stellte das Team einen Redox-Mediator her, der auch in Lithium-Batterien funktioniert, die als Pouch-Zellen gebaut werden. Dabei werden gestapelte oder gefaltete Schichten mit einer flexiblen Außenfolie ummantelt. Pouch-Zellen kommen bei Batterien mit höherer Leistung, etwa im Militär- und Automobilbereich, zum Einsatz.
Das Forschungsteam entwickelte einen Redox-Mediator unter Verwendung eines organischen Moleküls namens 5,7,12,14-Pentacenetetron (PT), das sich gut zur Übertragung von Elektronen eignet. „Konkret unterstützt der PT-Redoxvermittler die Reduktion von Lithiumpolysulfid zu Lithiumsulfid, wodurch der Reaktionswiderstand verringert und das Risiko von Ablagerungen vermindert wird“, sagte Bo-Quan Li vom Beijing Institute of Technology. Im Labor konnte das Team bestätigen, dass sich die Kinetik durch PT entscheidend verbesserte; die Reaktionen liefen schneller ab.
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Auf dem Weg zu kommerziellen Lithium-Schwefel-Batterien
Der nächste Schritt der Forschenden wird sein, auf der Grundlage von PT weitere Redox-Mediatoren für Lithium-Schwefel-Batterien zu entwickeln, um die Schwefel-Redox-Kinetik an der Kathode präzise zu steuern. „Das ultimative Ziel ist die Realisierung von Lithium-Schwefel-Batterien mit hoher Energiedichte und langer Lebensdauer bei niedrigen Kosten und hoher Sicherheit“, sagt Li. „Solche Lithium-Schwefel-Batterien könnten beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden.“
Doch die Konkurrenz schläft nicht. Im Jahr 2020 hatten australische Ingenieurinnen und Ingenieure eine besonders robuste Schwefel-Elektrode entwickelt. Ihre Idee war, eine Schicht aus einem Bindemittel mit Kohlenstoff zu integrieren. Auch eine Keramikschicht um die Kathode führte zu besseren Eigenschaften. Und nicht zuletzt scheint Cobaltoxalat die Kapazität, die Zyklenfestigkeit und das Selbstentladungsverhalten von Lithium-Schwefel-Akkus zu verbessern.
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