Wollte man ein Elektroauto mit aktuell verfügbaren Lithium-Ionen-Akkus bauen, das die gleiche Reichweite erzielt, wie ein durchschnittliches Diesel-Fahrzeug, dann bräuchte es eine mehr als 500 Kilogramm schwere Batterie. Gegenwärtige Stromlieferanten verfügen über eine zu geringe Energiedichte für den wirtschaftlichen Einsatz. Dies stellt derzeit noch die größte Hürde für die Verbreitung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen dar. Kein Wunder also, dass gerade in diesem Bereich intensiv geforscht wird. Einen möglichen Ausweg stellen Lithium-Schwefel-Batterien dar, aber auch diese bringen Probleme mit sich. Wissenschafter von der Technischen Universität Chemnitz haben nun eine Weiterentwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien vorgestellt, die bisherige Mängel dieser Technologie beheben könnten.
Derzeitiger Stand der Technik in Elektroautos sind Lithium-Ionen-Akkus. Diese kommen auch in Mobiltelefonen, Notebooks und anderen mobilen Elektrogeräten zum Einsatz, haben aber nur eine theoretische Kapazität von maximal 275 Milli-Ampere-Stunden pro Gramm. Die Kombination von Lithium und Schwefel dagegen liefert Batterien mit einer theoretischen Kapazität von 1.672 Milli-Ampere-Stunden pro Gramm. Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist der geringe Preis von elementarem Schwefel und dessen Verfügbarkeit in großen Mengen. Der Haken daran ist, dass Lithium-Schwefel-Akkus nur sehr begrenzt haltbar sind - zumindest bis jetzt.
Bisher: Nach nur 50 Ladezyklen ist Schluss
Beim Laden und Entladen löst sich ständig Material aus der Schwefel-Elektrode heraus. Das führt zu einer schnellen Zerstörung der Batterie. Zudem ändert sich bei den Ladevorgängen das Volumen des Schwefel-Materials, was dieses zusätzlich belastet. Durch das Verschmelzen von Schwefel mit hohlem Kohlenstoffmaterial konnten kanadische Forscher die Lebensdauer im Jahr 2009 erstmals auf 50 Lade-Entlade-Zyklen steigern. Dies ist freilich noch keine befriedigende Lösung.
An dieser Stelle setzen die Arbeiten von Stefan Spange und seinem Team von der TU Chemnitz an: Die Wissenschafter haben kleine Kohlenstoffhohlkugeln mit winzigen Löchern mit Schwefel zu einer Art Kohlenstoffschaum verschmolzen, der über Hohlräume verfügt. Das Ergebnis: Ein hoher Anteil von Kohlenstoff führt zu einer guten Leitfähigkeit des Materials und somit zu einer hohen Kapazität der Batterie. Untersuchungen zeigten, dass sich eine Kugelgröße von sieben Nanometern als optimal erweist: So sind die Kugeln einerseits groß genug, um den Schwefel gut aufzusaugen und somit seine Auflösung im Elektrolyten zu verhindern. Andererseits sind sie klein genug, um durch ihre Hohlräume die Volumenänderung der Elektrode beim Laden und Entladen zu minimieren.
900 Milli-Ampere-Stunden pro Gramm und 500 Ladezyklen
Die auf diese Weise maßgeschneiderten Kohlenstoffmaterialien führen zu leistungsfähigen Batterien mit einer Kapazität von rund 900 Milli-Ampere-Stunden pro Gramm - das ist mehr als das Dreifache der Kapazität der heute üblichen Lithium-Ionen-Akkus. Tests belegten, dass sie Akkus stabil für mehr als 500 Lade- und Entlade-Zyklen laufen und auch dann noch rund 70 Prozent ihrer Ausgangsleistung aufweisen.
"Diese Arbeit wird nicht nur den Weg hin zu Batterien mit hohen spezifischen Energien für tragbare Elektronik und Elektroautos ebnen, sondern auch bei der Entwicklung neuer Superkondensatoren und Katalysatorträger eine große Rolle spielen", schätzt Spange. "Eine Besonderheit des in Chemnitz entwickelten Prozesses ist die Möglichkeit, nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien nach einem einfachen, modularen Prinzip gezielt aufzubauen. So ist, im Gegensatz zu anderen Arbeiten, die gezielte Herstellung speziell für eine Anwendung angepasster Kohlenstoffe möglich." (red, derStandard.at, 27.06.2013)