Lithium-Schwefel-Technologie Der 1.000-Kilometer-Akku

10. Januar 2020, 14:18 Uhr

Es klingt fast zu schön, um wahr zu sein. Inspiriert von Waschpulver haben Forscher einen Akku entwickelt, der Autos 1.000 Kilometer weit bringt, weniger kostet und ökologischer hergestellt werden kann. Entwickelt wurde der Prototyp in Dresden.

Die Forscher der Monash-University mit ihrer Li-S-Batterie: Prof. Matthew Hill, Dr. Mahdokht Shaibani und Prof. Mainak Majumder (v.l.). Bildrechte: Monash University

Die Forscher der Universität Monash in Melbourne/Australien klingen fast schon euphorisch in ihrer Veröffentlichung. Zwar kommen auch sie nicht ohne Lithium in ihren Batterien aus. Aber dafür fallen die anderen Bestandteile gängiger Lithium-Ionen-Akkus weg, wie etwa Kobalt oder Mangan. Lithium und Schwefel sind die Hauptbestandteile.

1 Mal laden = 5 Tage Smartphone

An den sogenannten Lithium-Sulfur-Batterien (Li-S) wird auch in Dresden seit Jahren geforscht. Und deshalb wurde der Prototyp des neuen Akkus am dortigen Fraunhofer-Institut für Material- und Strahltechnik zusammengebaut und getestet. Und so gelang offenbar das, was den großen Unterschied macht.

Der neue Lithium-Schwefel-Akku ist nach Angaben der Forscher viel effizienter als bisher genutzte Akkus. Er kann bei gleicher Größe ein Smartphone fünf Tage mit Strom versorgen, oder ein E-Auto 1.000 Kilometer weit fahren lassen – ohne Nachladen.

Das Geheimnis steckt im Bindemittel

Dr. Mahdokht Shaibani vom Department of Mechanical and Aerospace Engineering der Monash University in Merlbourne/Australien musste mit ihrem internationalen Forschungsteam dafür die Schwächen der Lithium-Schwefel-Technik überwinden – schnelle Entladung, große Ausdehnung. Dazu nutzen sie Forscher eine Technologie, die in den 1970er-Jahren zur Verbesserung von Waschpulver angewandt wurde. Eine Art Brückenstruktur, die die die einzelnen Bestandteile stabil miteinander verbindet und trotzdem genug Oberfläche für die nötige Reaktion in der Batterie schafft.

Inspiriert von den klassischen Ansätzen in der Partikelagglomerationstheorie haben wir einen Ansatz gefunden, bei dem minimale Mengen eines hochmoduligen Bindemittels zwischen benachbarten Partikeln platziert werden, wodurch mehr Raum für Materialexpansion und Ionendiffusion bleibt.

Li-S-Studie, Monash University

Bereits 2016 präsentiert: Die Elektroden und ein Prototyp der Lithium-Sulfur-Batterie aus Dresden. Bildrechte: Fraunhofer IWS Dresden

Die Forscher sind von ihrer Entwicklung überzeugt und haben sie bereits zum Patent angemeldet. Attraktive Leistung, geringere Herstellungskosten, reichlich vorhandenes Material, einfache Verarbeitung und ein geringerer ökologischer Fußabdruck – all das sind Gründe, die den neuen Batterietyp zu einem Erfolgsmodell machen können, so der Chemieingenieur Matthew Hill, der als Professor an der Monash-Universität lehrt und an den Forschungen beteiligt war.

"Dieser Ansatz", so Hill in der Veröffentlichung, "begünstigt nicht nur hohe Leistung und lange Lebensdauer, sondern ist auch einfach und äußerst kostengünstig in der Herstellung unter Verwendung von Prozessen auf Wasserbasis und kann zu einer erheblichen Reduzierung umweltgefährdender Abfälle führen."

Hightech aus Dresden

Dr. Holger Althues leitet ein Wissenschaftlerteam am Fraunhofer IWS in Dresden, das nach Lösungen für die Batterien der Zukunft forscht. Bildrechte: Fraunhofer IWS Dresden

Das Fraunhofer-Institut für Material- und Strahltechnik in Dresden ist beim Thema Li-S-Batterien seit Jahren Anlaufpunkt für Forscher aus der ganzen Welt. Bereits 2012 gab es einen ersten Internationalen Workshop zu der Akkutechnik, der danach jährlich fortgesetzt wurde. In den Folgejahren entwickelten die Ingenieure auch die Verfahren weiter, präsentierten 2016 eine Prototyp-Zelle mit Lithium-Schwefel – einen Vorläufer des Akkus, den jetzt die Australier zur Serienreife bringen wollen.

Bereits damals erklärte Holger Althues, Koordinator des IWS-Batteriezentrums und Projektleiter mehrerer verwandter Forschungsprojekte, welches Potential in der Li-S-Technologie steckt.

Lithium-Schwefel-Batterien sind nach wie vor die vielversprechendste Innovation für zukünftige Energiespeicher.

Holger Althues, IWS Dresden

Link zur Studie

Die Studie ist unter vdem Titel "Expansion-tolerant architectures for stable  cycling of ultrahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries" im Magazin Science Advances erschienen.

gp