Leistungsfähigen, wiederaufladbaren Batterien kommt eine Schlüsselrolle in der Energiewende zu, beispielsweise als stationärer Zwischenspeicher für Energie aus erneuerbaren Quellen oder in Elektroautos. Für diese Anwendungsgebiete stoßen aktuelle Lithium-Ionen-Batterien hinsichtlich Kapazität und Lebensdauer an ihre Grenzen. Außerdem werden oft teure und toxische Rohstoffe eingesetzt, die teilweise unter fragwürdigen Bedingungen abgebaut werden.
Forschung und Industrie sind deshalb auf der Suche nach alternativen, umweltfreundlichen Batterietypen mit höherer Kapazität und längerer Lebensdauer. Zu ihnen zählt potenziell die Lithium-Schwefel-Batterie. Eine solche Batteriezelle mit Lithium als Anodenmaterial und Schwefel als Kathodenmaterial hat mehrere Vorteile.
So ist Schwefel preiswert, umweltfreundlich und reichlich vorhanden. Die theoretische Energiedichte einer solchen Zelle liegt aufgrund der leichten Elemente außerdem bei bis zu 2.500 Wh/kg, was deutlich höher ist als bei Lithium-Ionen-Batterien.
Gründe für das schnelle Altern
Bisher konnte bei Lithium-Schwefel-Batterien nur rund ein Viertel der theoretisch erreichbaren Energiedichte realisiert werden. Ebenso altern Batterien dieser Art zu schnell, sodass die von der Industrie geforderten 1.000 Ladezyklen noch nicht erreichbar sind.
Auf der Suche nach Gründen für den schnellen Rückgang der Kapazität standen bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) Polysulfide im Fokus. Diese kettenförmigen Moleküle, bestehend aus Lithium und Schwefel, reichern sich am Minuspol an, sodass immer weniger Lithium und Schwefel für die Energiespeicherung zur Verfügung steht.
Die PTB konnte nun die Bewegung und Anreicherung über zwei Röntgen-Analysemethoden an der Synchrotronstrahlungsquelle Bessy II in Berlin molekülspezifisch beobachten und dem jeweiligen Ladezustand zuordnen. Die Messungen lassen den Schluss zu, dass die Entwicklung und Verwendung von Polysulfid-undurchlässigen Separatoren in solchen Batterien die Lebensdauer erhöhen könnten.
Messungen im laufenden Betrieb
Neben dem prozentualen Verlust des kathodischen Aktivmaterials Schwefel für verschiedene Ladezustände konnten die Wissenschaftler die Veränderung der Moleküllänge der Polysulfide bestimmen. Diese beeinflusst sowohl die Löslichkeit als auch Reaktivität.
Anhand dieser Untersuchung beobachteten die Forscher an beiden Elektrodenseiten einen Shuttle-Effekt – also die Bewegung der Polysulfide zwischen den Elektroden – sowie eine Akkumulation am Minuspol für fortschreitende Zyklenzahl. Diese zeitaufgelösten Messungen im laufenden Betrieb der Zelle (Operando-Modus) ermöglichen eine Zuordnung von Veränderungen auf atomarer Ebene zu den elektrischen Eigenschaften der Batterie.
Fazit der Messungen: Nicht primär die Bildung der Polysulfide, sondern ihre Bewegung und Ablagerung am Minuspol sind für den Rückgang der Zellkapazität verantwortlich. Die Erkenntnis könnte zu neuen Strategien im Zelldesign führen, etwa zum Einsatz von Polysulfid-undurchlässigen Separatoren.
