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Stark dank Schwefel

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Wir bei Rutronik24 befassen uns ja hauptsächlich mit technologischen Innovationen, wie Sie als aufmerksame Leserinnen und Leser unseres Newsletters wissen. Besonders interessant finden wir dabei die Suche nach Alternativen zum herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku. Nicht nur, weil die darin enthaltenen Stoffe wie Nickel oder Kobalt giftig und schwierig zu entsorgen sind, sondern auch aus purem Eigennutz: Nichts nervt so sehr wie ein Akku, der innerhalb weniger Jahre den Großteil seiner Leistungsfähigkeit verliert und die Laufzeit unserer Smartphones von einem Tag auf wenige Stunden reduziert.

Vor zwei Jahren haben wir bereits über eine Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus berichtet: Der damals 94-jährige US-Physiker John B. Goodenough hatte zusammen mit anderen Forschern eine Lösung mit Glas als Elektrolyt entwickelt, die eine sicherere und kostengünstigere Variante mit größerer Kapazität darstellt. 2019 erhielt Goodenough gemeinsam mit zwei Kollegen den Nobelpreis für Chemie – ironischerweise für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien. Der Glas-Akku hat es dagegen noch immer nicht zur Serienreife geschafft und zahlreiche Forscher arbeiten weltweit an weiteren Alternativen.

Eine vielversprechende Lithium-Akku-Variante verzichtet dabei auf den Einsatz von Nickel und Kobalt und setzt auf Schwefel-Kathoden. Australische Forscher von der Monash-Universität in Clayton sprechen davon, dass schon erste Tests eine Verdreifachung der Leistung gegenüber Lithium-Ionen-Akkus versprechen. Möglich ist das durch eine stabilere Schwefel-Kathode, die auch bei dickeren Schwefelschichten nicht mehr zerkrümelt und Energiedichten von mehr als 1.200 Milliamperestunden pro Gramm erreichen, schreiben die Forscher im Fachmagazin „Science Advances“.

Da Schwefel – anders als Nickel und Kobalt – ein Abfallprodukt ist, ist es wesentlich günstiger und leichter verfügbar, was für die industrielle Batterieproduktion von großer Bedeutung ist. Das ebenfalls an der Studie beteiligte Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden betont ebenfalls, dass die neue Akku-Alternative leichter, billiger und umweltfreundlicher seien als die herkömmlichen Lithium-Ionen-Lösungen. Dennoch scheint der Weg zur Serienreife noch weit zu sein: Die Technik sei vielversprechend, befinde sich allerdings noch in der Entwicklung. Zwar sind die Lithium-Schwefel-Zellen effektiver – können also bei gleichem Gewicht mehr Energie speichern als Lithium-Ionen-Akkus – aber auch größer.

Dass Lithium-Schwefel-Batterien noch nicht über das Entwicklungsstadium hinausgekommen sind, hing bisher auch damit zusammen, dass die mechanische Stabilität der Schwefelkathode, die sich bei der betriebsbedingten Aufnahme und Abgabe von Lithium ausdehnt und zusammenzieht, noch nicht ausreichend war: Es entstanden Mikrorisse und Brüche, so dass die Zelle schnell verschliss. Hierfür haben die Forscher offenbar eine Lösungsmöglichkeit gefunden und sogar patentiert.

Die Architektur der speziell gestalteten Schicht aus Kohlenstoff und Bindemittel, die höhere mechanische Belastungen ausgleichen kann und damit den Leistungs-und Kapazitätsverlust verringert, hat sich das Forscherteam von der Waschmittelproduktion abgeschaut. Das Bindemittel basiert auf einem wasserlöslichen Polymer und hält die Schwefel- und Kohlenstoffpartikel der Kathode über Polymer-Brücken zusammen, wenn sich die Elektrode beim Laden ausdehnt und beim Entladen zusammenzieht.

Für die Verkehrswende und damit einhergehend den Einsatz in Elektroautos sind Schwefel-Batterien aber zumindest im Augenblick noch keine Alternative: Trotz des neuen Verfahrens überstehen die Lithium-Schwefel-Akkus derzeit nur etwas über 200 Ladezyklen, bevor sie an Leistung verlieren – deutlich zu wenig. Ziel ist es, 2000 bis 3000 stabile Lade- und Entladezyklen zu erreichen. Sobald dieses Ziel erreicht ist, kann der Akku auch in der Praxis eingesetzt werden. Der Blick geht dabei eher in Richtung der Anwendungsfelder, bei denen geringes Gewicht von großer Bedeutung ist, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt. Für die Elektromobilität sind die Akkus (noch) keine ernsthafte Alternative, denn sie sind zwar sehr leicht, brauchen aber, wie erwähnt, auch deutlich mehr Platz.

Wir müssen uns also wohl oder übel noch eine Weile mit unseren stetig schwächer werdenden Smartphone-Akkus abfinden. Wobei: Nachdem der Trend ja ohnehin zu immer größeren Modellen und zum Phablet geht, sind die Akkus in zwei, drei Jahren vermutlich eh so groß wie ein DinA4-Blatt. Und dann schlägt die Stunde des Lithium-Schwefel-Akkus.