Quarz verbessert Lithium-Schwefel-Akkus

Die beiden PSI-Forscherinnen Claire Villevieille (links), Gruppenleiterin Batteriematerialien, und Joanna Conder, Erstautorin der neuen Studie. (Bild: PSI / M. Dzambegovic)

Der Lithium-Schwefel-Akku gilt als ein viel­versprechender Kandidat für zukünf­tige Energie­speicher: Die benötigten Materialien sind kosten­günstig, umwelt­freundlich und leicht verfügbar. Vor allem kann dieser Akku theo­retisch rund drei Mal so viel Energie liefern als der heute weit verbrei­tete Lithium­ionen-Akku. Allerdings gibt es in der Praxis noch einige Hürden: Beispiels­weise verliert der Lithium-Schwefel-Akku bei wieder­holtem Aufladen schnell an Kapazität. Heutige Proto­typen schaffen bei weitem nicht so viele Lade­zyklen wie herkömm­liche Lithium­ionen-Akkus und liefern zudem nur einen Bruchteil der theore­tisch möglichen Energie.

Forscher am Paul-Scherrer-Institut PSI in Villigen gewannen neue Einblicke in die verant­wortlichen Vorgänge, indem sie eine spezielle Untersuchungs­methode mit Röntgen­licht entwickelten und diese nutzten, um die chemischen Reaktionen innerhalb des Akkus zu verfolgen. Sie machten damit erstmals direkt sichtbar, wie sich Lithium-Schwefel-Verbin­dungen im Akku verändern und wie es infolge dessen zum Kapazitäts­verlust kommt. Und sie beo­bachteten erstmals, wie gewöhn­liches Quarz­pulver den Lithium-Schwefel-Akku verbessert. Als Zusatz in der flüssigen Komponente des Akkus steigert es die verfügbare Energie und dämmt den mit der Zeit eintre­tenden Kapazitäts­verlust ein. Dass Quarzpulver mit den Materialien in Lithium-Schwefel-Akkus wechsel­wirkt, hatten vorab schon andere Forschungs­gruppen festgestellt. Die PSI-Forscher bezifferten nun den Vorteil des Quarzpulvers. „Mit diesem Zusatz leistet ein Lithium-Schwefel-Akku 25 bis 30 Prozent mehr“, sagt Claire Ville­vieille. „Wir haben das Quarzpulver dem Elektro­lyten einfach zugegeben wie Wasch­pulver in die Wäsche.“

Das Quarz­pulver bindet in der Tat eine Art Schmutz im Akku. Im Betrieb des Lithium-Schwefel-Akkus entstehen Poly­sulfide. Diese sind ein gewöhn­licher Bestand­teil des Akkus. Ein Teil von ihnen geht jedoch unerwünschter­weise in die flüssige Komponente des Akkus über und schwimmt dort bei jedem Lade- und Entladevorgang zwischen den beiden Elektroden des Akkus hin- und her. In der Folge reagieren diese fehlge­leiteten Poly­sulfide mit der Lithium-Elektrode des Akkus. Dadurch verringert sich die Menge des zur Verfügung stehenden Schwefels, also des aktiven Materials im Akku, und die Kapa­zität des Akkus schwindet.

Diesem Prozess lässt sich durch die Beigabe von Quarz­pulver entgegen­wirken. „Wir stellten tatsächlich fest, dass Quarzpulver die Poly­sulfide bindet wie Seife den Schmutz“, berichtet Ville­vieille. Das erhöht und erhält die Lade­kapazität, weil das Akku-Innere länger sauber und funktions­tüchtig bleibt. Die Umkehr­barkeit des Entlade­vorgangs, der Coulomb-Wirkungs­grad, verbes­sert sich. Er steigt von rund 80 auf 90 Prozent. Zum Vergleich: Der Coulomb-Wirkungs­grad eines herkömm­lichen Lithium­Ionen-Akkus liegt bei über 99,9 Prozent. Dieses Ziel rückt nun für Lithium-Schwefel-Systeme etwas näher.

PSI-Forscherin Claire Villevieille, Gruppenleiterin Batteriematerialien, am Gerät für Röntgendiffraktion. (Bild: M. Fischer, PSI)

Die positive Aus­wirkung von Quarz zeigte sich, als die PSI-Forscher in Koopera­tion mit einem Kollegen der Uni Grenoble Alpes mit Operando-Röntgen­diffraktion die chemischen Vorgänge im Akku unter­suchten. Üblicher­weise lassen sich mit dieser Technik keine flüs­sigen Kompo­nenten beobachten und somit bleiben auch die Vorgänge im Elek­trolyt verborgen. Die Röntgen­diffraktion gelingt nur an geordneten, kristal­linen Strukturen; die Poly­sulfide im Elek­trolyt schwimmen jedoch normaler­weise ungeordnet herum, erklärt Ville­vieilles Kollegin Joanna Conder. Um die Poly­sulfide dennoch sichtbar zu machen, tauchten die Wissen­schaftler Glasfasern in den Elektrolyt. An deren Oberfläche lagerten sich die Poly­sulfide in geordneter Weise ab. Die so ausge­richteten Poly­sulfide beugen die Röntgen­strahlen und werden somit sichtbar. „So konnten wir erstmals die Bildung und Veränderung der Poly­sulfide während des Lade- und Entlade­vorgangs im Akku verfolgen“, sagt Conder. Zudem minderten die Glas­fasern die uner­wünschten Abla­gerungen der Sulfide.

Neben der Zugabe von Quarz­pulver gebe es prinzi­piell auch andere Ansätze, wie man verhindert, dass sich die Poly­sulfide lösen und die Akku­funktion ein­schränken, räumen die beiden PSI-For­scherinnen ein: Aber diese sind entweder sehr kom­pliziert oder sehr teuer oder beides; vor allem, wenn man zu indus­triellem Maßstab übergeht. Quarz dagegen ist so ziemlich das günstigste Material, das es gibt. Eine solche Substanz in den Elektrolyt zu geben, sei dagegen denkbar einfach. (Quelle: PSI / pro-physik.de)

Referenz: J. Conder et al.: Direct observation of lithium polysulfides in lithium–sulfur batteries using operando X-ray diffraction, Nat. Energy 2, 17069 (2017); DOI: 10.1038/nenergy.2017.69

Link: AG Batteriematerialien (C. Villevieille), Elektrochemische Energiespeicherung (P. Novák), Paul-Scherrer-Institut PSI, Villigen, Schweiz

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