Mehr Strom im Elektro-Tank

Dr. Falko Böttger-Hiller bereitet eine Probe winzig kleiner Kohlenstoffhohlkugeln für eine Porenanalyse vor. Der Chemiker hat in seiner Doktorarbeit solche Kugeln mit Schwefel verschmolzen. Die entstandenen Materialien verlängern die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien / Bildquelle: TU Chemnitz/Mario Steinebach

Um mit einem Elektroauto die gleiche Reichweite zu erzielen, wie mit einem durchschnittlichen Diesel-Fahrzeug bräuchte es nach aktuellem Stand der Technik eine mehr als 500 kg schwere Batterie. Elektroautos lassen sich mit den gegenwärtigen Batterien aufgrund deren geringen Energiedichte nicht wirtschaftlich betreiben. Die Batterien liefern, bezogen auf ihr Gewicht, zu wenig Energie. Prof. Dr. Stefan Spange, der Inhaber der Professur Polymerchemie an der Technischen Universität Chemnitz, stellt mit seinem Team eine Weiterentwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien vor, die genau diesen Mangel beheben sollen.

Derzeitiger Stand der Technik in Elektroautos sind Lithium-Ionen-Akkus. Diese kommen auch in Mobiltelefonen, Notebooks und anderen mobilen Elektrogeräten zum Einsatz. Die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus lässt sich prinzipiell mit neuen Materialien für die Elektroden um ein Vielfaches steigern. Dabei gilt die Lithium-Schwefel-Batterie als sehr populärer und vielversprechender Ansatz in der Wissenschaftsszene. Diese Batterieart besteht aus einer Schwefel-Elektrode und einer Elektrode aus metallischem Lithium. Die Lithium-Schwefel-Batterie hat eine theoretische Kapazität von 1672 mAh/g. Zum Vergleich: Lithium-Ionen-Akkus erreichen eine theoretische Kapazität von 275 mAh/g, also nur rund ein Sechstel. Vorteile einer Lithium-Schwefel-Batterie sind neben dieser hohen Energiedichte der geringe Preis von elementarem Schwefel und dessen Verfügbarkeit in großen Mengen. Der Nachteil der Lithium-Schwefel-Module: Sie sind nur sehr begrenzt haltbar.

Elementarer Schwefel – also die Form, in der Schwefel in der Natur vorkommt – leitet keinen elektrischen Strom. Deshalb kann er nicht direkt als Elektrodenmaterial verwendet werden und wird vorwiegend in Kombination mit Kohlenstoff eingesetzt. Als weiteres Problem gelten Reaktionsprodukte des Schwefels, so genannte Polysulfide, die im Elektrolyten – der Batterieflüssigkeit – löslich sind. Beim Laden und Entladen löst sich deshalb ständig Material aus der Schwefel-Elektrode heraus. Das führt zu einer schnellen Zerstörung der Batterie, wodurch die erste Generation der Lithium-Schwefel-Zellen eine sehr geringe Lebensdauer aufweist. Zudem ändert sich beim Laden und Entladen das Volumen des Schwefel-Materials, was dieses zusätzlich belastet. Durch das Verschmelzen von Schwefel mit hohlem Kohlenstoffmaterial konnten kanadische Forscher die Lebensdauer im Jahr 2009 erstmals auf 50 Lade-Entlade-Zyklen steigern. Das ist immer noch höchst unbefriedigend. Es ist unvorstellbar dem Halter eines Elektrofahrzeuges klarzumachen, dass der Wagen nach 50 Tankfüllungen nicht mehr funktioniert, so Spange.

Genau an dieser Stelle setzen die Arbeiten der Professur Polymerchemie an. Die Wissenschaftler haben Kohlenstoffmaterialien für die Anwendung in Lithium-Schwefel-Batterien maßgeschneidert. Dr. Falko Böttger-Hiller hat in seiner Doktorarbeit winzig kleine Kohlenstoffhohlkugeln mit Schwefel verschmolzen. Diese Kohlenstoffhohlkugeln sind miteinander zu einer Art Kohlenstoffschaum verwachsen und verfügen über Hohlräume mit einem Innendurchmesser von 7 nm. Sie sind also etwa so groß wie ein Zehntausendstel Haardurchmesser. Des Weiteren haben diese Kugeln winzige Löcher in ihrer Hülle, die den Schwefel förmlich aufsaugen. Die Chemnitzer Chemiker analysierten das Verhalten der verwendeten Materialien abhängig vom Anteil des Kohlenstoffs, von der Kugelgröße, der Dicke der Schalen und der Größe der Poren in der Schale. Mit dem Verfahren können die Wissenschaftler erstmals systematisch die Auswirkungen der Kugeleigenschaften auf die Batterieperformance untersuchen. Ein hoher Anteil Kohlenstoff führe zu einer guten Leitfähigkeit des Materials und somit zu einer hohen Kapazität der Batterie. Die Kugelgröße von 7 nm erwies sich als optimal. Denn so sind die Kugeln einerseits groß genug, um den Schwefel gut aufzusaugen und somit seine Auflösung im Elektrolyten zu verhindern. Andererseits sind sie klein genug, um durch ihre Hohlräume die Volumenänderung der Elektrode beim Laden und Entladen zu minimieren.

Diese beiden Aspekte verbessern die Lebensdauer der Batterien immens. Die TU-Wissenschaftler haben die Materialien hergestellt und ihre Eigenschaften analysiert. Die Batterietests erfolgten durch die BASF SE. Die maßgeschneiderten Kohlenstoffmaterialien führen demnach zu leistungsfähigen Batterien mit einer Kapazität von rund 900 mAh/g – das ist mehr als das Dreifache der Kapazität der heute üblichen Lithium-Ionen-Akkus. Sie laufen stabil für mehr als 500 Lade- und Entlade-Zyklen und weisen auch dann noch etwa 70 % ihrer Ausgangsleistung auf.

Diese Arbeit wird nicht nur den Weg hin zu Batterien mit hohen spezifischen Energien für tragbare Elektronik und Elektroautos ebnen, sondern auch bei der Entwicklung neuer Superkondensatoren und Katalysatorträger eine große Rolle spielen. Eine Besonderheit des in Chemnitz entwickelten Prozesses ist die Möglichkeit, nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien nach einem einfachen, modularen Prinzip gezielt aufzubauen. So ist, im Gegensatz zu anderen Arbeiten, die gezielte Herstellung speziell für eine Anwendung angepasster Kohlenstoffe möglich.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht: Böttger-Hiller, F., Kempe, P., Cox, G., Panchenko, A., Janssen, N., Petzold, A., Thurn-Albrecht, T., Borchardt, L., Rose, M., Kaskel, S., Georgi, C., Lang, H., Spange, S. (2013), Zwillingspolymerisation an sphärischen Hart-Templaten – ein Weg zu Kohlenstoffhohlkugeln mit einstellbarer Größe und mikro- oder mesoporöser Schale. Angew. Chem., doi: 10.1002/ange.201209849

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