Forscher der Monash University in Australien haben ultraschnell aufladbare Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) entwickelt, die bald Elektrofahrzeuge mit großer Reichweite und fliegende Flugtaxis antreiben könnten. Laut einer Pressemitteilung der Universität liefern die neu entwickelten Batterien die doppelte Energiedichte einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ion).
Lithium-Ionen-Batterien wurden in den 1980er Jahren erfunden und sind heute die Hauptenergiespeicher für kleine elektronische Geräte oder große Elektrofahrzeuge. Selbst die Speicherung erneuerbarer Energien setzt aufgrund ihrer überlegenen Energiedichte und Speicherkapazität auf Lithium-Ionen-Batterien.
Lithium-Schwefel-Batterien mögen derzeit in den Schlagzeilen sein, aber sie wurden tatsächlich zwei Jahrzehnte vor ihren Li-Ionen-Gegenstücken erfunden. Allerdings haben die Einschränkungen der internen Chemie dazu geführt, dass Li-S-Batterien in ihrer Entwicklung in den Hintergrund gerückt sind, was langsam angegangen wird.
Verbesserung von Li-S-Batterien
Zu den Nachteilen des Li-S-Akkus zählen eine verringerte Leistungsabgabe und weniger Ladezyklen. Dies ist vor allem auf die in der Batterie verwendeten Anoden- und Kathodenmaterialien zurückzuführen.
Da Schwefel als Kathode und Lithium-Ionen als Anode dienen, wird Lithium während des Ladevorgangs nicht erneut auf der Anode abgeschieden. Stattdessen schädigen die daraus resultierenden chemischen Ablagerungen die Anode und den Elektrolyten, wodurch sich die Wiederaufladezeiten und die Leistungsabgabe verlangsamen.
Inspiriert durch die Chemie von Betadin, einem häufig verwendeten Antiseptikum, fanden Forscher der Monash University einen Weg, die Lade- und Entladeraten von Li-S-Batterien zu verbessern. Das Antiseptikum enthält Polyvinylpyrrolidon (PVP), ein synthetisches Polymer, das mit anderen Molekülen reagieren kann, um Verbindungen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu bilden.
Die Verwendung von PVP als Katalysator in Li-S-Batterien beschleunigt chemische Reaktionen und ermöglicht schnellere Lade- und Entladeraten.
Besser, sicherer, umweltfreundlicher
„Unser Katalysator hat die C-Rate-Leistung von Li-S-Batterien erheblich verbessert, was in frühen Proof-of-Concept-Prototypzellen gezeigt wurde“, sagte Mainak Majumder, Professor an der Monash University, der die Forschung leitete. „Mit kommerzieller Skalierung und größerer Zellproduktion könnte diese Technologie Energiedichten von bis zu 400 Wh/kg liefern.“
Im Vergleich dazu haben Li-Ionen-Akkus eine Energiedichte von 150 – 235 Wh/kg. Die höhere Energiedichte der Li-S-Batterie kann Elektrofahrzeuge weitere 600 Meilen (1.000 km) fahren und so den Übergang zum elektrifizierten Transport erleichtern.
Das Besondere an Li-S-Akkus ist, dass sie auch schnelle Entladeraten erreichen können. „Dadurch eignet es sich gut für Anwendungen, die eine dynamische Leistung erfordern, wie etwa in der Luftfahrt, wo Batterien beim Start hohe C-Raten bewältigen und während der Reise effizient auf niedrige C-Raten umschalten müssen“, fügte Majumber in der Pressemitteilung hinzu.
Die Zugabe des Katalysators verkürzt nicht nur die Ladezeiten, sondern macht die Batterien auch sicherer, da sie bisher anfällig für Kurzschlüsse und Brände waren. Li-S-Batterien sind auch ökologisch nachhaltiger, da sie kein Kobalt benötigen, dessen Gewinnung ein energieintensiver Prozess ist. Schwefel ist weit verbreitet und kostengünstig.
„Stellen Sie sich ein Elektrofahrzeug vor, das mit einer einzigen Ladung von Melbourne nach Sydney fahren kann, oder ein Smartphone, das in wenigen Minuten aufgeladen wird – wir stehen kurz davor, dies Wirklichkeit werden zu lassen“, fügte Petar Jovanović, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Monash University und Co-Autor, hinzu. Hauptautor des Artikels, der die Forschungsergebnisse in der Zeitschrift Advanced Engineering Materials veröffentlichte.
