Lithium-Schwefel-Akkumulator

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Der Lithium-Schwefel-Akkumulator ist ein Akkumulatortyp, an dem mit Stand im Jahr 2014 geforscht und entwickelt wird. Die theoretisch errechnete Energiedichte ist mit 2600 Wh/kg (2800 Wh/l) [1] eine der höchsten aller Akkumulatoren, praktisch wurde allerdings eine Energiedichte bis zu 350 Wh/kg erreicht, was knapp 15 % des theoretisch vorhergesagten Wertes entspricht.[2][3]

Das erste Patent für eine Batterie, für die neben anderen Materialkombinationen auch das Paar Lithium und Schwefel vorgeschlagen wurde, wurde 1958 eingereicht und 1962 erteilt.[4]

Elektrochemie[Bearbeiten]

Während der Entladung wird an der Anode Lithium aufgelöst. An der Kathode verbindet es sich mit Schwefel, es entstehen Lithiumsulfide, bei vollständiger Entladung das Lithiumsulfid Li2S:

\mathrm{S_8  +  16\ Li\longrightarrow\ 8\ Li_2S}

Während des Ladevorgangs wird die entstandene Verbindung wieder aufgelöst und Schwefel zurückgebildet. Am Minuspol wird dabei wieder Lithiummetall abgelagert oder eine Lithiumlegierung gebildet:

\mathrm{8\ Li_2S\longrightarrow\ S_8 + 16\ Li}

Als Zwischenprodukte entstehen beim Entladen und beim Laden Gemische verschiedener Lithiumsulfide. Beim Entladen nimmt dabei der Schwefelanteil am Gemisch immer weiter ab, weil der Lithiumgehalt immer weiter zunimmt. Dies kann schematisch mit der Reihe:

\mathrm{S_8\longrightarrow\ Li_2S_8 \longrightarrow\ Li_2S_6 \longrightarrow\ Li_2S_5 \longrightarrow\ Li_2S_4 \longrightarrow\ Li_2S_3 \longrightarrow\ Li_2S_2 \longrightarrow\ Li_2S}

dargestellt werden, wobei die Sulfide Li2S8, Li2S6, Li2S5, Li2S4 und Li2S2 aber in sehr unterschiedlichen Konzentrationen im Gemisch nebeneinander vorliegen können.

Die Reaktion entspricht der von Natrium-Schwefel-Akkumulatoren, wobei Lithium die Funktion des Natriums übernimmt.[5]

Beim Lithium-Schwefel-Akkumulator findet der Ladungstransport innerhalb des Elektrolyten durch Lithiumionen statt. Es findet beim Lithium-Schwefel-Akkumulator eine chemische Reaktion statt, bei der Substanzen vollständig umgewandelt werden, wobei u.U. auch Kristalle von Schwefel oder Lithiumsulfid neu gebildet oder aufgelöst werden, während bei Lithium-Ionen-Batterien eine Interkalationsreaktion stattfindet.

Da Schwefel als Isolator nur eine äußerst schlechte elektrische Leitfähigkeit hat, muss er in einem leitfähigen Gemisch vorliegen, dass die Entladung in Gang kommen kann. Dazu wird der Schwefel mit Kohlenstoff versetzt. Ist die Kohlenstoffmenge zu gering, wird der Schwefel mangels elektrischem Kontakt nur unvollständig genutzt, und die spezifische Kapazität wird zu klein. Ist die Kohlenstoffmenge zu groß, so führt die damit verbundene Zusatzmasse an elektrochemisch inaktivem Material ebenfalls zu geringen spezifischen Kapazitäten. Ein wesentlicher Anteil der Forschungsaktivitäten versucht daher, durch die Verwendung spezieller Kohlenstoffsorten diese Eigenschaft zu optimieren: Es werden nicht nur Graphit und verschiedene Rußsorten getestet, sondern auch Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, poröse Kohlenstoffe.

Aber auch durch unterschiedliche Elektrolyte und verschiedene Gemische an der Anode gibt es Varianten: Neben der Verwendung von metallischen Lithium wurde insbesondere Silizium und Zinn, wie im Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator, als Anodenmaterialien vorgeschlagen, die die Zyklisierbarkeit verbessern sollen.

Für die Lithium-Schwefel-Zelle sind die neben Lithium wichtigsten Bestandteile Schwefel und Kohlenstoff, preiswert, weit verbreitet und leicht verfügbar. Schwefel und Kohlenstoff sind ungiftig, allerdings sind die bei der Entladung entstehenden Lithiumsulfide giftig, sie reagieren mit Säuren zu giftigem Schwefelwasserstoffgas. Deswegen müssen die Zellen gasdicht geschlossen werden.

Stand der Forschung[Bearbeiten]

Im April 2013 stellten Wissenschaftler des Dresdner Fraunhofer IWS eine neue Batteriekonstruktion mit einer Silizium-Kohlenstoff-Anode vor, die die Anzahl der Ladezyklen bei Knopfzellen von 200 auf 1400 versiebenfachte.[6] Anfang 2014 hat die Forschergruppe 2000 Zyklen erreicht. [3]

Im November 2013 berichteten Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory, ihre optimierte Schwefelelektrode habe nach 1500 Lade-Entlade-Zyklen eine höhere Kapazität gehabt als die Kathode in Lithium-Ionen-Zellen [7]. Sie verwendeten dabei einen speziellen Elektrolyten, der auf einer ionischen Flüssigkeit basiert. [7] Die Zyklenzahl ist die höchste, über die bis dahin berichtet wurde. [8]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Khalil Amine, Ryoji Kanno, Yonhua Tzeng: Rechargeable lithium batteries and beyond: Progress, challenges, and future directions. In: Cambridge University Press (Hrsg.): MRS Bulletin. 39, Nr. 05, 2014, S. 395–401, doi:10.1557/mrs.2014.62.
  2. Bill Moore: Sion Introduces a Lithium Sulfur Rechargeable Battery. EVWorld.com, Inc., abgerufen am 8. Juni 2014 (englisch).
  3. a b Mathias Bloch: Was man über Lithium-Schwefel-Akkus wissen muss. WEKA FACHMEDIEN GmbH, 6. Februar 2014, abgerufen am 8. Juni 2014 (deutsch).
  4. Patent US3043896: Electric Dry Cells and Storage Batteries. Angemeldet am 24. November 1958, veröffentlicht am 10. Juli 1962, Anmelder: Electric Techniques Corporation N.V., Willemstad, Curaçao, Erfinder: Danuta Herbert, Juliusz Ulam (Anmeldung in Frankreich: 26. Nov. 1957).
  5. Tudron, F.B., Akridge, J.R., and Puglisi, V.J. (2004): Lithium-Sulfur Rechargeable Batteries: Characteristics, State of Development, and Applicability to Powering Portable Electronics (PDF; 330 kB) (Tucson, AZ: Sion Power).
  6. Längeres Leben für Lithium-Schwefel-Batterien, Presseinformation Nr. V des Fraunhofer IWS Dresden vom 1. April 2013, abgerufen am 11. April 2013.
  7. a b  Min-Kyu Song, Yuegang Zhang, Elton J. Cairns: A Long-Life, High-Rate Lithium/Sulfur Cell: A Multifaceted Approach to Enhancing Cell Performance. In: Nano Letters. 2013, doi:10.1021/nl402793z.
  8. Longest cycle life reported so far for any lithium-sulfur battery. 28. November 2013, abgerufen am 8. Dezember 2013.