Zinn-Schwefel-Li-Ionen-Akku: Stärker, langlebiger und sicherer

Batterie

Die italienischen Wissenschaftler Bruno Scrosati und Jusef Hassoun von der Universität Rom haben einen vielversprechenden Ansatz für eine neue Variante eines Lithium-Ionen-Akkus entwickelt, den Zinn-Schwefel-Lithiumionen-Akku. Mit einer spezifischen Energie von ca. 1100 Wh/kg übertrifft die neue Zelle alle bisherigen konventionellen Lithium-Akkus.

Theoretisch wären Lithium-Schwefel-Akkus Energielieferant der Wahl, da sie - bezogen auf die Masse - wesentlich mehr Energie als konventionelle Lithiumionen-Akkus liefern. Die praktische Anwendung krankt aber daran, dass sich dessen Elektroden nach und nach auflösen, was zu Kapazitätsverlust führt. Ausserdem kann sich Lithiummetall in Form von Verästelungen abscheiden, die Kurzschlüsse verursachen.

Das ist der Grund, warum kommerzielle "Lithium"-Akkus keine metallischen Lithiumelektroden enthalten, sondern ein Material, das Lithiumionen aufnehmen und wieder freigeben kann, oft Graphit. Eine solche korrekterweise Lithiumionen-Akku genannte Zelle erzeugt die Quellenspannung nur über eine Verschiebung von Lithiumionen und liefert entsprechend weniger Energie.

Die italienischen Forscher wollen nun die Vorteile beider Akku-Typen vereinen, um zu langlebigen, gut lagerbaren, betriebssicheren, einfach herstellbaren Akkus mit hoher Kapazität zu kommen. Ihr neuer Typus einer lithiummetallfreien Zelle arbeitet mit einer Kathode (negative Elektrode) aus einem Kohlenstoff-Lithiumsulfid-Komposit. Die organische Elektrolytlösung ersetzten sie durch eine in eine Gel-Polymermembran eingeschlossene lithiumionenhaltige Flüssigkeit. Das Polymer schirmt die Flüssigkeit von den Elektroden ab. Die Lösung ist zudem mit Lithiumsulfid gesättigt. Beide Massnahmen minimieren das Auflösen von Elektrodenbestandteilen. Als Anode (positive Elektrode) wählten Scrosati und Hassoun nanoskopische Zinnpartikel, die in eine schützende Kohlenstoffmatrix eingeschlossen sind.

Der elektrochemische Prozess läuft folgendermassen ab: An der Kathode wird Lithiumsulfid in elementaren Schwefel und Lithiumionen gespalten. Dabei werden Elektronen abgegeben. Die Lithiumionen wandern durch die Elektrolytmembran zur Anode, wo sie Elektronen aufnehmen und zu ungeladenen Lithiumatomen werden. Letztere werden von den Zinn-Nanopartikeln der Anode in Form einer Legierung gebunden. Der Prozess ist reversibel, sodass der Akku immer wieder aufgeladen werden kann. Mit einer spezifischen Energie von ca. 1100 Wh/kg übertrifft die neue Zelle alle bisherigen lithiummetallfreien Akkus. Mit dieser hohen Energiedichte könnte der neue Akku sich auch als Stromquelle der Wahl für elektrische Fahrzeuge etablieren.

(Quelle: Bruno Scrosati, Università degli Studi di Roma La Sapienza, Italy)