Dieser Festkörper-Akku soll 300 Jahre halten

Forscher der Peking University, der Justus-Liebig-Universität in Gießen und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben eine Lithium-Schwefel-Festkörper-Batterie entwickelt, die erheblich haltbarer sein soll als eine klassische Lithium-Ionen-Batterie. Die Ergebnisse ihrer Forschungen haben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Einer der Vorteile von Lithium-Schwefel-Batterien ist ihre hohe gravimetrische Energiedichte. Mit gravimetrischer Energiedichte ist gemeint, wie viel Energie ein bestimmtes Material pro Masseeinheit speichern kann. Bei Lithium-Schwefel-Batterien sollen theoretisch bis zu 2.654 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) möglich sein – praktisch sind bisher allerdings nur 350 Wh/kg erreicht. Höhere Energiedichten senken die Zyklenfestigkeit. Zum Vergleich: Aktuelle Lithiumionen-Akkus speichern zirka 200 Wattstunden pro Kilogramm.

Angeblich 300 Jahre haltbar

Gegen Lithium-Schwefel-Batterien sprechen allerdings eine im Vergleich zu Lithium-Akkus niedrigere volumetrische Energiedichte (zum Beispiel Wattstunden pro Liter) und eine geringe Lebensdauer, die momentan zirka 200 Ladezyklen umfasst. Aktuell eingesetzte Lithium-Ionen-Akkus vertragen zirka 1.000 Ladezyklen, bevor ihre Speicherkapazität unter 80 Prozent des Ursprungswerts sinkt. Die Forscher wollen jetzt das Ladezyklen-Problem gelöst haben – im Labor soll der Akku 25.000 Ladezyklen überstehen. Ein E-Auto mit 400 km Reichweite und 15.000 km jährlicher Fahrleistung braucht etwa 38 vollständige Ladezyklen im Jahr. Ein Akku mit 25.000 Ladezyklen würde theoretisch über 300 Jahre eine Speicherkapazität von über 80 Prozent halten (die Batterie wird meistens nicht vollständig geladen), rein rechnerisch wären sogar mehr als 600 Jahre Haltbarkeit drin.

Grund für die enorme Ladezyklen-Steigerung ist der Einsatz eines festen Elektrolyts, der den Schwefel daran hindert, Zwischenverbindungen mit dem Lithium zu bilden. Diese Zwischenverbindungen lösen sich in einem flüssigen Elektrolyt wieder auf, was die Selbstentladung der Batterie beschleunigt und einen Kapazitätsabbau zur Folge hat. Den festen Elektrolyten haben die Forscher aus einer glasartigen Mischung aus Bor, Schwefel, Lithium, Phosphor und Jod hergestellt. Insbesondere die Verwendung von Bor hat sich im Nachhinein als vorteilhaft erwiesen, da das Element den Elektronentransfer durch Redoxreaktionen beschleunigt und damit die Reaktionsgeschwindigkeit an den Elektroden erhöht.

Eher für stationären Einsatz

Die von den Forschern gewonnenen Erkenntnisse beziehen sich auf Laborversuche – ob eine Umsetzung in einer Großserie möglich ist, ist noch nicht geklärt. Sollte die bisher nicht genannte volumetrische Energiedichte des neuen Akkus viel niedriger sein als die eines herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus, wäre eher ein Einsatz als stationärer Energiespeicher denkbar. Andererseits forschen Wissenschaftler auch auf diesem Gebiet und entwickeln möglicherweise Lösungen, die den Einsatz solcher Batterien für Fahrzeuge sinnvoll macht.

Im Teaserbild zeigen wir eine vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik entwickelte Lithium-Schwefel-Zelle. An der in diesem Artikel vorgestellten Entwicklung ist das Fraunhofer-Institut nicht beteiligt.