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Lithium-Schwefel-Akku in einem Beutel
Smartphones werden täglich besser und besser. Es liegt an den einzelnen Komponenten: Alles entwickelt sich weiter. Displays lösen höher auf und werden flexibler, Prozessoren arbeiten effizienter, Speicherbausteine erlauben eine höhere Datenrate und Kameras sehen mehr und detaillierter als das menschliche Auge. Zudem wird die Software immer intelligenter; sie macht sehr präzise Prognosen und liefert uns automatisch Ergebnisse, nach denen wir eigentlich hätten suchen müssen. Das soll’s eigentlich gewesen sein: Das sind die wichtigsten Merkmale bei einem Smartphone. Aber vergessen wir da nicht etwas anderes? Etwas, das sich in den vergangenen Jahren nicht so stark weiterentwickelt hat, wie alles andere? Stimmt. Es ist der Akku, der das System mit Energie versorgt. Aber woran liegt es? Wenn Prozessoren und Displays weniger Energie verbrauchen können, warum können dann Akkus einfach nicht mehr Energie liefern? Ist es denn wirklich so schwer? Ja, das ist es. Aktuelle Energiespeichertechnologien sind bereits an ihren physikalischen Grenzen. Man kann Akkus größer machen und mehr speichern, aber dadurch nimmt auch die Masse zu, was irgendwo ein Widerspruch in der Mobilität ist. Was also tun? Es gibt eine gute und schlechte Nachricht. Die Gute: Eine neue und leistungsstärkere Technologie ist bereits unterwegs. Die schlechte Nachricht: Es dauert noch einige Jahre.
Lithium-Schwefel Akkumulatoren — kurz „Li-S“ genannt — gelten als Nachfolger der Lithium-Ionen Akkus (Li-I). Die Energiedichte ist höher: Bei kommerziellen Li-I kommt man auf 175 bis 200Wh/kg. Mit den Li-S erreicht man experimentell rund 350Wh/kg. Das ist noch nicht alles.
Wir haben uns mit Dr. Holger Althues vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS aus Dresden unterhalten. Er ist Gruppenleiter für chemische Oberflächentechnologie in der Abteilung chemische Oberflächen- und Reaktionstechnologie. Sein Team beschäftigt sich mit den Lithium-Schwefel-Akkumulatoren.
BestBoyZ: Wie unterscheiden sich Li-S Akkus von den heutigen Akkutechnologien?
Dr. Althues: Li-S-Akkus haben einen ähnlichen Aufbau wie Li-Ionen-Batterien: eine Kathode (bestehend aus Schwefel), eine Anode (bestehend aus Lithium) und einen Separator + Flüssigelektrolyt. In Li-Ionen-Zellen können die Li-Ionen in die Aktivmaterialien eingelagert werden (Interkalation). In der Li-S-Zelle kommt es zur chemischen Umwandlung des Schwefels zu Li-Sulfid – ein grundsätzlich anderer Mechanismus. Pro Schwefel-Atom können dabei 2 Li-Ionen gebunden werden und dadurch ergibt sich die hohe erreichbare Kapazität (1.672 mAh/g) dieses Systems (Interkalationskathoden haben maximal 250 mAh/g).
BestBoyZ: Welche Vorteile ergeben sich durch Li-S?
Dr. Althues: Li-S-Akkus besitzen eine höhere, gravimetrische Energiedichte als Li-Ionen-Akkus. Das heißt sie können bei gleichem Energieinhalt Faktor 2-3 leichter sein. Schwefel ersetzt dabei die teuerste Komponente der Li-Ionen-Zellen: das Kathodenmaterial. Kosteneinsparungen sind also ein gewünschter Nebeneffekt.
Stabile Ladezyklen sind das Problem
BestBoyZ: Woran scheitert aktuell die Umsetzung und wann können wir mit der Kommerzialisierung rechnen?
Dr. Althues: Derzeit erreicht man schon recht hohe Energiedichten, aber die für die meisten Anwendungen geforderte Zyklenstabilität wird nicht erreicht. Nach ca. 50 Voll-Lade-/Entladezyklen nimmt die Kapazität der Li-S-Zelle in der Regel drastisch ab. Neue Ansätze zeigen aber, dass man die Stabilität deutlich verbessern kann. In unserem Labor ist es uns beispielsweise gelungen, in einer Li-S-Zelle nach 4.000 Vollzyklen noch eine Kapazität von 400 mAh/g (bezogen auf den Schwefel) zu erhalten. Diese neuen Ansätze in eine funktionstüchtige Hochenergiezelle zu überführen, ist Gegenstand aktueller Entwicklung. Bis zur Kommerzialisierung sind jedoch noch einige technologischen Hürden zu überwinden und vor 2020 ist nicht mit einer Markteinführung (in den Massenmarkt) zu rechnen
