Forscher der Washington State University haben gezeigt, dass sich die Leistung von Lithium-Schwefel-Akkus durch den Einsatz von Maisprotein verbessern lässt. Diese Erkenntnis verspricht eine Ausweitung der Nutzung dieser hochenergetischen, leichteren Batterien in Elektrofahrzeugen, bei der Speicherung erneuerbarer Energien und anderen Anwendungen.
Lithium-Schwefel-Akkus sind bei gleicher Energiemenge leichter und umweltfreundlicher als die üblicherweise verwendeten Lithium-Ionen-Akkus, aber ihre kommerzielle Nutzung wurde bisher durch technologische Hürden eingeschränkt, die ihre Lebensdauer verkürzen. Die veröffentlichte Forschungsarbeit des WSU-Teams zeigte, dass eine Schutzbarriere aus Maisprotein in Kombination mit einem üblicherweise verwendeten Kunststoff die Leistung eines knopfgroßen Lithium-Schwefel-Akkus deutlich verbesserte. Die Forscher fanden heraus, dass die Batterie ihre Ladung über 500 Zyklen halten konnte, was eine deutliche Verbesserung gegenüber Akkus ohne die schützende Maisbarriere, den so genannten Separator, darstellt.
Lithium-Schwefel-Akkus gelten für viele Anwendungen als mögliche Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus. Sie enthalten theoretisch viel mehr Energie, so dass für ihre Verwendung in Autos oder Flugzeugen viel kleinere und leichtere Batterien als die derzeitigen erforderlich wären. Außerdem verwenden die Lithium-Schwefel-Akkus Schwefel für ihre Kathode, der im Überfluss vorhanden, billig und ungiftig ist, was sie umweltfreundlicher macht als die derzeitigen Batterien. Die Kathode eines Lithium-Ionen-Akkus wird aus Metalloxiden hergestellt und enthält giftige Schwermetalle wie Kobalt oder Nickel.
Maisprotein als günstiger, ungiftiger Separator
Lithium-Schwefel-Akkus leiden jedoch unter zwei großen Problemen. Beim so genannten Shuttle-Effekt neigt der Schwefelanteil der Batterie dazu, in den flüssigen Teil des Akkus auszulaufen und auf die Lithiumseite zu wandern, wodurch der Akku sehr schnell nicht mehr funktioniert. Auf der Lithiumseite des Akkus bilden sich außerdem häufig Lithiummetallspitzen, so genannte Dendriten, die einen elektrischen Kurzschluss verursachen können. Deswegen ist eine Verbesserung bei den Separatoren notwendig.
In den Versuchen verwendeten die Forscher nun also Maisprotein als Abdeckung für einen Separator in der Mitte des Akkus, um beide Probleme zu vermeiden. Die Bausteine des Proteins sind Aminosäuren, die mit den Akkumaterialien reagierten, um die Bewegung der Lithium-Ionen zu verbessern und den Shuttle-Effekt zu verhindern. Da das Protein von Natur aus auf sich selbst gefaltet ist, fügten die Forscher eine kleine Menge an flexiblem Kunststoff hinzu, um es abzuflachen und seine Leistung zu verbessern.
Weitere Simulationsstudien müssen nun durchgeführt werden, um herauszufinden, welche Aminosäuren in der Proteinstruktur am besten geeignet sind, um den kritischen Shuttle-Effekt und die Dendritenprobleme zu lösen. Die Forscher möchten mit Partnern aus der Industrie zusammenarbeiten, um größere experimentelle Akkus zu untersuchen und den Prozess zu verbessern.
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