Nanostrukturen verlängern Akkulebensdauer

Stanford-Forscher wollen die Anzahl der Ladezyklen von Lithium-Schwefel-Akkumulatoren deutlich erhöhen.

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  • Kevin Bullis

Stanford-Forscher wollen die Anzahl der Ladezyklen von Lithium-Schwefel-Akkumulatoren deutlich erhöhen.

Bei der Entwicklung besserer Stromspeicher stoßen Wissenschaftler regelmäßig auf ein Grundproblem: Zwar lässt sich die Energiekapazität der Zellen durch eine neue chemische Zusammensetzung relativ leicht erhöhen, doch die Anzahl möglicher Ladezyklen ist oft zu gering – die Batterien sind also nicht haltbar. Forscher an der Stanford University haben nun neuartige Nanostrukturen entwickelt, die die besonders leistungsfähigen Lithium-Schwefel-Akkus so widerstandsfähig machen soll, dass sich eine kommerzielle Verwendung etwa in Elektroautos lohnt.

Bislang überstehen die Zellen höchstens 150 vollständige Ladevorgänge. Die Stanford-Technik erreicht 1000, ohne dass die Kapazität deutlich dezimiert wird. In einer E-Auto-Konfiguration würde das immerhin für mehrere Jahre Nutzungszeit ausreichen. Hinzu kommt: Kommerzielle Versionen der Batterie könnten die Energiespeicherdichte von Lithium-Ionen-Akkus ungefähr verdoppeln, sagt Yi Cui, Professor für Materialwissenschaften und Projektleiter. Nach 500 Zyklen verblieben bei den Prototypen immer noch 81 Prozent Kapazität und nach 1000 Zyklen 67 Prozent. Cui betont zudem, dass die Nanomaterialien mit vergleichsweise einfachen Herstellungsmethoden produziert werden können, die sich für eine Massenproduktion eignen.

Die neuen Strukturen könnten die zwei Hauptherausforderungen bisheriger Lithium-Schwefel-Akkus lösen. Werden solche Zellen entladen, bindet sich der Schwefel an das Lithium, um Lithiumsulfid zu bilden. Beim Ladevorgang bildet sich wiederum erneut Schwefel. Die Reaktion läuft allerdings nur indirekt ab. Eine Anzahl von Zwischenstoffen, die Polysulfide, entstehen. Wenn diese Polysulfide sich aus der Elektrode bewegen, wird die Reaktion nicht mehr beendet, was die Energiemenge beschränkt, die die Batterie speichern kann. Über mehrere Ladevorgänge hinweg sammeln sich dann die Zwischenprodukte in der Zelle an, was die Kapazität weiter dezimiert.

Verschiedene Forscher haben gezeigt, dass unterschiedliche Nanostrukturen dabei helfen können, die Polysulfide innerhalb der Elektrode zu einzufangen. Doch diese Ideen beißen sich mit einem anderen Problem, das Lithium-Schwefel-Batterien aufweisen: Der Schwefel dehnt sich aus und beschädigt die Nanostrukturen, so dass die Polysulfide die Schutzfunktion nach einiger Zeit nicht mehr vorhanden ist.

Das Stanford-Team entwickelte deshalb kugelförmige Nanopartikel aus Schwefel und beschichtete diese mit einer Titanoxidhülle, um die Polysulfide "festzuhalten", damit diese nicht mehr aus der Elektrode wandern können. Ein Teil des Schwefels wurde anschließend gelöst, um innerhalb der Hülle Platz zu schaffen. Hier kann sich der Schwefel ausdehnen, ohne dass die Titanoxidhülle beschädigt wird.

Für die weitere Entwicklung haben die Forscher noch viel vor: Sie wollen in späteren Versionen ihres Prototypsystems auch noch nach 3000 Ladezyklen eine Kapazität von 80 Prozent erhalten. Wird dies erreicht, würde ein Akkusatz wohl die gesamte Lebensdauer eines Elektroautos durchhalten, auch wenn man ihn fast jeden Tag komplett entlädt.

Die Gruppe um Cui arbeitet außerdem an der Sicherheit der neuen Zellen – bei der Verwendung von Lithiummetallen ist das ein wichtiges Kriterium. Alternativ denken die Wissenschaftler über Lithium-Sulfid-Zellen nach, die deutlich unkritischer wären. "Es gibt noch jede Menge Forschungs- und Optimierungsarbeit", sagt der Projektleiter. (bsc)