Von den mehr als 40 Millionen Autos auf Deutschlands Straßen werden laut Bundesverkehrsministerium nur rund 6400 mit Strom angetrieben. Denn Elektroautos sind nach wie vor zu teuer und ihre Reichweite für die gängigen Mobilitätsvorstellungen zu gering. Wissenschaftler forschen daher an neuen Batterien mit höherer Leistung und geringeren Kosten. Einen Durchbruch bei der Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien hat nun das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden bekannt gegeben. Die Wissenschaftler konnten die Aufladezyklen einer Lithium-Schwefel-Batterie um das Siebenfache erhöhen.
Die Anode der Lithium-Schwefel-Batterie besteht nicht wie sonst üblich aus metallischem Lithium, sondern aus einer Silizium-Kohlenstoff-Verbindung. Diese ist wesentlich stabiler, da sie sich bei jedem Ladevorgang weniger verändert als das Lithium-Metall. Denn je stärker sich das Anodenmaterial verformt, desto mehr vermischt es sich mit dem flüssigen Elektrolyten, der zwischen Anode und Kathode liegt und den Strom transportiert. Bei diesem Vorgang zersetzt sich die Flüssigkeit in Gas und Feststoffe und die Batterie trocknet aus. Im Extremfall könnte so die Anode bis zur Kathode "wachsen" und für einen Kurzschluss sorgen. Durch die neue Kombination aus Anoden- und Kathodenmaterial konnten die Wissenschaftler des IWS in Tests nun die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Knopfzellen von 200 auf 1400 Zyklen ausdehnen. Dies entspricht einer siebenfachen Steigerung der Aufladezyklen.
Die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer einer Batterie hängt entscheidend von der Wirkungsweise der Anode und Kathode ab. Bei Lithium-Schwefel-Batterien bildet elementarer Schwefel die Kathode. Dies hat den Vorteil, dass Schwefel im Vergleich zu Kobalt, der bisher hauptsächlich in Lithium-Ionen-Batterien als Kathodenmaterial verwendet wird, nahezu unbegrenzt verfügbar und dadurch günstiger ist. Doch auch der Schwefel tritt mit dem flüssigen Elektrolyt in Wechselwirkung. Die Leistungsfähigkeit der Batterie sinkt, im schlimmsten Fall verliert sie vollständig an Kapazität. Um diesen Vorgang zu entschleunigen, nutzen die Forscher am IWS poröse Kohlenstoffe, in denen sich der Schwefel einlagert und sich somit langsamer mit dem Elektrolyt verbindet.
Die Experten vom IWS messen die Leistungsfähigkeit einer Batterie in Watt-Stunden pro Kilogramm (Wh/kg). Von Lithium-Schwefel-Batterien versprechen sie sich langfristig eine Energiedichte von bis zu 600 Wh/kg. Zum Vergleich: Aktuell verwendete Lithium-Ionen-Akkus kommen lediglich auf maximal 250 Wh/kg. Mittelfristig seien eher Zahlen um 500 Wh/kg, so die Wissenschaftler. Das heißt, man kann bei identischem Batteriegewicht doppelt so weit fahren. Im Umkehrschluss sind deutlich leichtere Batteriemodelle möglich. Das ist nicht nur für Automobil-, sondern auch für Smartphone-Hersteller interessant: Die mobilen Alleskönner würden mit leichteren Akkus deutlich an Gewicht verlieren.
