Forscher sind der Verwirklichung von Festkörperakkus aus Lithium und Schwefel einen Schritt nähergekommen. Ein Team unter der Leitung von Ingenieuren der University of California San Diego hat ein neues Kathodenmaterial für Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien entwickelt, das elektrisch leitfähig und strukturell heilbar ist – Eigenschaften, die die Grenzen der derzeitigen Kathoden dieser Akkus überwinden. Die Arbeit wurde im Fachmagazin Nature veröffentlicht.
Lithium-Schwefel-Festkörperakkus sind eine Art von wiederaufladbaren Batterien, die aus einem festen Elektrolyten, einer Anode aus Lithiummetall und einer Kathode aus Schwefel bestehen. Diese Akkus stellen eine vielversprechende Alternative zu den derzeitigen Lithium-Ionen-Akkus dar, da sie eine höhere Energiedichte und niedrigere Kosten bieten. Sie haben das Potenzial, bis zu doppelt so viel Energie pro Kilogramm zu speichern wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien – mit anderen Worten, sie könnten die Reichweite von Elektrofahrzeugen verdoppeln, ohne das Gewicht des Batteriepacks zu erhöhen. Außerdem sind sie durch die Verwendung reichlich vorhandener, leicht zu beschaffender Materialien eine wirtschaftlich tragfähige und umweltfreundlichere Wahl.
Die Entwicklung von Lithium-Schwefel-Festkörperakkus wurde jedoch in der Vergangenheit durch die inhärenten Eigenschaften von Schwefelkathoden erschwert. Schwefel ist nicht nur ein schlechter Elektronenleiter, sondern Schwefelkathoden dehnen sich beim Laden und Entladen auch stark aus und ziehen sich zusammen, was zu strukturellen Schäden und einem verminderten Kontakt mit dem Festelektrolyten führt. Diese Probleme beeinträchtigen insgesamt die Fähigkeit der Kathode, Ladung zu übertragen, was die Gesamtleistung und Langlebigkeit der Festkörperbatterie beeinträchtigt.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelte ein Team unter der Leitung von Forschern der Universität UC San Diego ein neues Kathodenmaterial: einen Kristall aus Schwefel und Jod. Indem sie Jodmoleküle in die kristalline Schwefelstruktur einfügten, erhöhten die Forscher die elektrische Leitfähigkeit des Kathodenmaterials drastisch um 11 Größenordnungen, so dass es 100 Milliarden Mal leitfähiger ist als Kristalle, die nur aus Schwefel bestehen.
Darüber hinaus besitzt das neue Kristallmaterial einen niedrigen Schmelzpunkt von 65 Grad Celsius, was niedriger ist als die Temperatur einer heißen Tasse Kaffee. Das bedeutet, dass die Kathode nach dem Aufladen des Akkus leicht wieder eingeschmolzen werden kann, um die durch den Zyklus beschädigten Schnittstellen zu reparieren. Dies ist ein wichtiges Merkmal, um die kumulativen Schäden zu beheben, die an der Festkörper-Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt bei wiederholtem Laden und Entladen auftreten.
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Bild: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
