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Drittes Elektron erhöht Kapazität von Lithium-Schwefel-Akkus
Mehr Energie aus demselben Schwefel: Eine neue Lithium-Schwefel-Chemie erschließt pro Schwefelatom einen dritten Elektronentransfer. Im Labor stieg dadurch die schwefelbezogene Kapazität um 58 Prozent und die mittlere Spannung von 2,05 auf 2,54 Volt. Eine kleine Pouch-Zelle hielt nach 100 Lade- und Entladezyklen noch 78 Prozent ihrer Anfangskapazität.
Nashville (U.S.A.). Lithium-Schwefel-Akkus gelten als mögliche Hochenergie-Speicher, weil Schwefel reichlich verfügbar ist und viel Ladung pro Masse speichern kann. Doch ihre nutzbare Energie wird bisher durch eine vergleichsweise geringe Zellspannung, langsame Redoxreaktionen und den sogenannten Polysulfid-Shuttle begrenzt. Dabei wandern lösliche Schwefelverbindungen zwischen den Elektroden und können Energieverluste und Selbstentladung fördern.
In der üblichen Lithium-Schwefel-Chemie wechselt Schwefel im Wesentlichen zwischen elementarem Schwefel und Lithiumsulfid. Dabei werden pro Schwefelatom zwei Elektronen übertragen. Eine höhere Oxidationsstufe könnte theoretisch zusätzliche Ladung und zugleich eine höhere Spannung erschließen, ließ sich in wiederaufladbaren Lithium-Batterien bislang aber nur schwer reversibel nutzen.
Forscher der Vanderbilt University um Prof. De-en Jiang haben nun gemeinsam mit weiteren Wissenschaftlern eine Chlorid-vermittelte Schwefelchemie entwickelt, die diesen Reaktionsraum erweitert. Beim Laden wird Lithiumsulfid über elementaren Schwefel bis zu Dischwefeldichlorid (S₂Cl₂) oxidiert. Damit erreicht Schwefel die Oxidationsstufe +1 und gibt insgesamt drei statt zwei Elektronen pro Atom ab.
Entscheidend dafür ist ein chloridreicher Elektrolyt auf Basis einer ionischen Flüssigkeit. Es hält genügend freie Chloridionen für die Schwefeloxidation bereit und ist zugleich so zusammengesetzt, dass sich das flüssige S₂Cl₂ darin nur schlecht löst. Das Reaktionsprodukt bleibt dadurch überwiegend in der porösen Kohlenstoff-Kathode, statt zur Lithium-Metall-Anode zu wandern. Molekülsimulationen und mehrere spektroskopische Verfahren stützen den reversiblen Ablauf dieser zusätzlichen Redoxstufe.
„Die herkömmliche Sicht auf Lithium-Schwefel-Batterien lässt einen Teil des Redoxvermögens von Schwefel ungenutzt. Wir wollten herausfinden, ob wir die Redoxfähigkeit des Schwefels erweitern und nutzen können, um mehr Energie zu speichern“, erklärt Prof. De-en Jiang.
Bei 25 Grad Celsius und einer Rate von 0,2C erhöhte die neue Chemie die mittlere Betriebsspannung gegenüber der konventionellen Vergleichszelle von 2,05 auf 2,54 Volt. Zugleich stieg die auf die Schwefelmasse bezogene Kapazität um 58 Prozent. Zusammen brachten beide Effekte die spezifische Energie auf Elektrodenebene auf mehr als 1.700 Wattstunden pro Kilogramm.
Dieser Wert beschreibt jedoch nicht die Energie einer vollständigen Batterie. Rechnet man große Zellbestandteile wie Lithium-Anode, Separator, Elektrolyt und Stromableiter ein, schätzt das Team für einen Batterie-Stapel 477 Wattstunden pro Kilogramm. Das sind rund 37 Prozent mehr als für die konventionelle Lithium-Schwefel-Vergleichskonfiguration der Studie. Diese Angabe für den Zellstapel ist eine Abschätzung und keine Messung des gebauten Pouch-Prototyps.
Als Schritt über kleine Knopfzellen hinaus fertigten die Forscher außerdem eine einlagige Pouch-Zelle. Nach 100 Lade- und Entladezyklen besaß sie noch 78 Prozent ihrer anfänglichen Kapazität. Damit zeigt die Arbeit, dass sich die Drei-Elektronen-Reaktion auch in einem größeren Zellformat wiederholen lässt, sie belegt aber noch keine kommerziell taugliche Lebensdauer.
Für eine praktische Batterie bleiben mehrere Hürden. Der Prototyp nutzt eine Lithium-Metall-Anode, enthält noch vergleichsweise wenig Schwefel und benötigt mehr Elektrolyt, als für eine kommerzielle Zelle wünschenswert wäre. Künftige Arbeiten müssen daher unter anderem höhere Schwefelbeladungen, weniger Elektrolyt, längere Zyklenfestigkeit und hohe Lade- und Entladeraten unter praxisnäheren Bedingungen erreichen.