Lithium-Schwefel-Batterien: Neuartiger Schwamm schafft Durchbruch
Forschende aus Japan sind der Meinung, mit einer neuen Generation an Lithium-Schwefel-Batterien das Reichweitenproblem von E-Fahrzeugen lösen zu können. Neben der chemischen Reaktion zwischen Lithium und Schwefel sei auch eine schwammartige Struktur hilfreich, die Batterieleistung zu verbessern.
Japanische Forschende setzen auf Lithium-Schwefel-Batterien, um das Reichweitenproblem bei E-Autos zu lösen.
Foto: PantherMedia / Droidworker
Lithium-Schwefel-Batterien bergen großes Potenzial für den Antrieb von Elektrofahrzeugen, doch sie weisen ein Problem auf. Wissenschaftler in Japan haben dafür eine Lösung gefunden.
Batterien aus Lithium und Schwefel waren bislang mechanisch noch instabil. Japanische Wissenschaftler haben ein neuartiges Schwammmaterial integriert, das es einem Prototyp einer Lithium-Schwefel-Batterie ermöglicht, Hunderte von Zyklen sicher zu überstehen. Ist es der Durchbruch für Lithium-Schwefel-Batterien?
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Mit Lithium-Schwefel-Batterien mehr Reichweite für E-Autos
„Lithium-Schwefel-Batterien können mehr Energie speichern als Lithium-Ionen-Batterien, die es im Handel bereits gibt“, sagt Hui Zhang, Erstautor der neuen Studie. „In Zahlen ausgedrückt: Ein Elektrofahrzeug mit Lithium-Ionen-Batterien kann durchschnittlich 300 Kilometer weit fahren, bevor es aufgeladen werden muss. Mit der verbesserten Energiespeicherung durch Lithium-Schwefel-Batterien sollte es möglich sein, die Reichweite auf 500 Kilometer zu erweitern.“
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Grundsätzlich sei das Potenzial der Lithium-Schwefel-Batterien bereits klar. Deshalb fokussierten die japanischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sich vor allem mit Problemen der Stabilität. So könnte vor allem die Bildung von Polysulfiden die Lebensdauer der Batterie erheblich verkürzen. Und genau die entstehen in der Batterie aus dem Lithium-Polysulfid, als Ergebnis der chemischen Reaktion zwischen Lithium und Schwefel. Die Forschenden haben deshalb nach einer Lösung gesucht, das Lithium-Polysulfid so schnell wie möglich in Lithium-Sulfid und Lithium-Persulfid umzuwandeln.
Winziger Schwamm in Lithium-Schwefel-Batterien bringt den Durchbruch
Nach Auffassung der japanischen Forschenden sei ein winziger poröser Schwamm aus Kohlenstoff-Nanoröhren die richtige Antwort. Diesen beschichteten sie mit Titannitrid und Titanoxid. Beide böten nützliche Eigenschaften: Das Titannitrid diene dazu, die Umwandlung von Lithium-Polysulfid in das Endprodukt voranzutreiben, das Titanoxid adsorbiert unerwünschte Polysulfide, die dabei entstehen.
„Mit diesen beiden Materialien haben wir einen Hybrid entwickelt, der kostengünstig und einfach anzuwenden ist“, erklärt Luis Ono, zweiter Autor der Studie. „Wir fanden heraus, dass es sich hervorragend dafür eignet, die Batterieleistung zu verbessern.“
Erste Tests hätten gezeigt, dass Batterien mit Hybridschwammmaterial im Vergleich zu Versionen ohne dieses Material nicht nur eine kürzere Ladezeit benötigen, sich der Zeitraum zwischen den Ladungen verlängern lässt, sondern vor allem eine größere Gesamtlebensdauer aufweisen. Die Forschenden geben 200 Zyklen ohne Effizienzverluste an. Da sie Lithium-Schwefel-Batterien als vielversprechende Technologie betrachten, wollen sie daran arbeiten, die Materialien zu optimieren, um damit auch die Leistung weiter zu verbessern.
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Smartphone fünf Tage lang nutzbar mit Lithium-Schwefel-Batterie
Die Energiedichte ist in Verbindung mit dem Gewicht solcher Batterien von großer Bedeutung. Schließlich können sie unsere Mobilität nachhaltiger gestalten. Ihr Einsatz ist denkbar nicht nur in Elektroautos, sondern auch in Lkw und in Flugzeugen. Mithilfe von Simulationen haben die japanischen Forschenden ermittelt, dass sich ein Smartphone mit Lithium-Schwefel-Batterien bis zu fünf Tagen nutzen lässt, ohne an die Steckdose zu müssen. Elektrische Flugzeuge könnten damit sogar doppelt so weit fliegen wie mit Lithium-Ionen-Batterien.
Bei Lithium-Ionen-Batterien entsteht die elektromotorische Kraft vor allem durch die Verschiebung von Lithium-Ionen. Zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode bewegen sich ionisierte Lithium-Atome durch wasserfreies Elektrolyt oder Polymer. Damit kein Kurzschluss entsteht, ist auch ein sogenannter Separator, zum Beispiel aus Vlies oder Polymer-Folien, integriert. Dadurch wird elektrische Energie durch chemische Prozesse im Akku gespeichert.
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