Neue Lithium-Schwefel-Akkus halten über 1000 Ladezyklen aus

Stanford (USA)/Stuttgart – Die Leistung von Lithiumionen-Akkus lässt sich prinzipiell mit neuen Materialien für die Elektroden um ein Vielfaches steigern. Lithium-Schwefel-Module, die theoretisch die fünffache Kapazität im Vergleich zu handelsüblichen Akkus erreichen können, leiden bisher allerdings an einer geringen Haltbarkeit. Forscher konnten dieses Problem nun mit speziell gekapselten Nanopartikeln aus Schwefel für die Kathode beheben. Wie sie in der Zeitschrift „Nature Communications“ berichten, erreichen ihre besten Prototypen noch fast siebzig Prozent der ursprünglichen Kapazität nach mehr als tausend Ladezyklen.

Mikroskopbild in schwarzweiß, es ist ein Material zu erkennen, das aus röhrenförmigen Strukturen besteht, die eng aneinander sitzen.
Elektrode für Lithium-Schwefel-Akkus

Bisher litten Lithium-Schwefel-Akkus unter dem Zerfall der Schwefelkathode, verursacht durch Ausdehnungseffekte während der Ladezyklen. Daher umhüllten Yi Chi und seine Kollegen vom Department of Material Science and Engineering an der Stanford University kugelförmige Nanopartikel aus Schwefel mit einer hauchdünnen, nur 15 Millionstel Millimeter dünnen Schicht aus Titandioxid. Diese Strukturen verglichen die Forscher mit einem Dottersack, der in Hühnereiern das Eigelb vom Eiweiß abtrennt. Eingesetzt in erste Prototypen von der Größe flacher Knopfzellen, zerfielen die Schwefelteilchen zwar immer noch teilweise, doch bremste die Hülle aus Titandioxid die unkontrollierte Verteilung der Zerfallsprodukte. Sehr hohe Kapazitätswerte von bis zu tausend Amperestunden pro Kilogramm blieben so auch nach hunderten Ladezyklen erhalten.

Da sowohl Schwefel als auch Titandioxid zu den sehr günstigen Chemikalien zählen, haben solche Lithium-Schwefel-Systeme ein großes Potenzial für billige und effiziente Lithium-Akkus. Zuvor muss allerdings das Herstellungsverfahren der gekapselten Schwefelteilchen weiter optimiert und an eine großtechnische Produktion angepasst werden. Diese Entwicklung könnte durchaus noch einige Jahre in Anspruch nehmen, bevor Lithium-Schwefel-Akkus die Reichweite von Elektroautos auf über 500 Kilometer mit einer Akkuladung erweitern könnten.