Nanokomposit‑Elektrokatalysatoren könnten Lithium‑Schwefel‑Batterien mit 5‑Minuten‑Ladezeiten neu gestalten

Von Lithium‑Ion zu Lithium‑Schwefel

Lithium‑Ion‑Batterien haben bisher den Batteriemarkt dominiert.  Das liegt sowohl an ihrer hohen Energiedichte als auch an einem Vorsprung, weil sie bereits weit verbreitet in der Elektronik‑Verbrauchermarkt eingesetzt und produziert werden.

Bei anderen Anwendungen traten jedoch Grenzen der Kapazität von Lithium‑Ion‑Batterien auf. Beispielsweise laden sich Lithium‑Ion‑Batterien relativ langsam, und obwohl Schnellladen möglich ist, schädigt es in der Regel die Lebensdauer der Batterie.

Langsames Laden ist ein ständiges Problem für Elektroauto‑Besitzer und wird häufig als Grund genannt, warum Menschen die Anschaffung von Elektrofahrzeugen ablehnen.

Da Elektroautos jetzt die größten Verbraucher von Batterien nach Leistungskapazität sind, könnte eine neue Batterietechnologie, die schneller lädt, schnell populär werden und mit Lithium‑Ion‑Designs konkurrieren.

Eine solche vielversprechende neue Chemie sind Lithium‑Schwefel‑Batterien. Frühere Designs luden sogar noch langsamer als Lithium‑Ion, doch neue Nanomaterialien könnten ein von Lithium‑Schwefel angetriebenes Elektroauto in nur 5 Minuten aufladen.

Lithium‑Schwefel‑Vorteile & Herausforderungen

Die neue Lithium‑Schwefel‑Batterietechnologie wurde von Forschern chinesischer und australischer Universitäten und Forschungseinrichtungen (Adelaide, Tianjin, ANSTO und Tsinghua) entdeckt und in Nature Nanotechnology unter dem Titel „Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering“ veröffentlicht.

Lithium‑Schwefel‑Batterien sind seit langem für ihre erstaunliche Energiedichte bekannt, die mehr als das Doppelte der Energie klassischer Lithium‑Ion‑Batterien bei Messung in Wh/kg (spezifische Energie) beträgt, und sie bieten eine überlegene Leistung bei Messung in Wh/L (spezifische Kapazität).

Quelle: Vertex Holdings

Die Hauptprobleme, die bisher die breite Einführung von Prototypen der Lithium‑Schwefel‑Batterien verhinderten, waren eine geringe Lebensdauer (ein Drittel der von Lithium‑Ion) und eine sehr langsame Ladegeschwindigkeit, die 1–10 Stunden für eine vollständige Ladung erfordert.

Das ist für Elektroautos offensichtlich inakzeptabel, zumal Nutzer bereits über 20–30 Minuten Ladezeit bei Lithium‑Ion klagen.

(Wir haben in unserem Referenzartikel „Die Zukunft der Mobilität – Batterietechnologie“).

Lithium‑Schwefel‑Einschränkungen haben sich dank der kürzlich in Nature veröffentlichten Entdeckung plötzlich geändert, wobei ein neues Lithium‑Schwefel‑Design erstaunliche Leistungen verspricht:

• Lebensdauer von mindestens 1.000 Zyklen, ähnlich wie bei Lithium‑Ion.
• Spezifische Energie von 1.306 Wh/kg, 10‑mal mehr als Lithium‑Ion und sogar überlegen gegenüber den meisten Designs von Festkörperbatterien.
• Lade‑/Entladezyklus von weniger als 5 Minuten.

Herstellung von Lithium‑Schwefel‑Batterien im Nanomaßstab

Wie haben die Forscher also eine scheinbar perfekte Batterie gebaut?

Zunächst untersuchten sie auf atomarer/Quantenebene die Schwefel‑Reduktionsreaktion (SRR), den entscheidenden Teil, der die Lade‑/Entladerate steuert. Dafür nutzten sie einen Teilchenbeschleuniger (Australian Synchrotron, ANSTO), um die genaue Besetzung der Atomorbitale (die Position der Elektronen um das Schwefelatom) in metallbasierten Katalysatoren zu bestimmen.

Bewaffnet mit diesen bisher nie analysierten Daten konnten sie die Geschwindigkeit und den Ablauf der Schwefel‑Reduktionsreaktion (SRR) genau vorhersagen.

Mit diesem Vorhersagemodell entwickelten sie anschließend Nanokomposit‑Elektrokatalysatoren, bestehend aus Kohlenstoff und verschiedenen Metalllegierungen wie Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer und Zink.

Letztendlich wurde eine Legierung aus Kobalt und Zink ausgewählt, die die oben beschriebenen bemerkenswerten Leistungen erbringt.

Was kommt als Nächstes?

Die Entwicklung einer solchen „Super‑Batterie“ könnte ein Wendepunkt bei der Elektrifizierung unserer Energiesysteme sein, von der Mobilität bis hin zur massenhaften Einführung erneuerbarer Energien, die leistungsstarke großtechnische Batteriespeicher erfordern.

Es ist jedoch noch zu früh, und einige Fragen müssen beantwortet werden, bevor Lithium‑Schwefel‑Batterien die Oberhand gewinnen.

Seltene Materialien

Lithium‑Ion‑Batterien & EV‑Hersteller versuchen seit Jahren, von Kobalt‑basierten Designs wegzukommen. Das liegt daran, dass Kobalt ein seltenes Mineral ist und seine Hauptquelle der Kongo ist, wo die Kobaltproduktion mit Kinder- und Sklavenarbeit sowie allgemeinen Menschenrechtsverletzungen in Verbindung gebracht wird.

Daher muss auch der Kobalt‑Zink‑Nanocluster, der im Elektrokatalysator verwendet wird, dieses Problem berücksichtigen.

Kosten

Hohe Materialkosten sind ein weiterer Grund, warum die Branche von kobalt‑basierten Designs zu Batterien mit Festkörpertechnologie, Lithium‑Eisen‑Phosphat (LFP) oder Natrium‑Ion wechselt.

Dies könnte also ein Problem für kobalt‑basierte Lithium‑Schwefel‑Batterien darstellen, selbst wenn sie deutlich effizienter und energiedichter als Lithium‑Ion sind.

Gleichzeitig bedeutet eine extrem hohe spezifische Energie, dass für dieselbe Reichweite eines Elektroautos weniger Batterien benötigt werden.

Dies reduziert wiederum das Gewicht des Elektroautos erheblich, da Batterien derzeit mehr als 25 % des Fahrzeuggewichts ausmachen. Ein geringeres Gewicht erhöht die Reichweite noch weiter.

Die entscheidenden Faktoren werden der Preis pro Wh der Lithium‑Schwefel‑Batterien und wie stark das Gewicht des Batteriepacks reduziert werden kann, sein.

Massenproduktion

Das letzte Jahrzehnt hat zahlreiche innovative Materialien und Designs in der Batterietechnologie hervorgebracht. Doch ein im Labor hergestelltes Knopfzellen‑Modell in ein Batteriepaket zu überführen und anschließend einen fabrikgroßen Produktionsprozess zu etablieren, ist nicht trivial.

Zum Beispiel das Datum der Kommerzialisierung von Festkörperbatterien wurde Jahr für Jahr von QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG usw. wiederholt verschoben. (QS )

Dies liegt nicht daran, dass die Technologie nicht funktioniert, sondern daran, dass die Massenproduktion von Festkörperbatterien im großen Maßstab, ohne Qualitätsprobleme & zu niedrigen Kosten, sich als sehr herausfordernd erwiesen hat.

Daher stehen wahrscheinlich noch viele Schritte aus, um diesen Lithium‑Schwefel‑Prototyp in eine kommerzielle Batterie zu überführen.

Fazit

Batterien sind seit der Einführung von Elektroautos der Schwachpunkt, der jedoch durch die enormen Forschungsbemühungen von Universitäten weltweit sowie von Branchenführern wie CATL, Telsa, LG usw. allmählich gelöst wird.

Es ist unklar, welches Design oder welche Chemie letztlich dominieren wird. Der stärkste Anwärter scheinen Festkörperbatterien zu sein, und Lithium‑Schwefel könnte die Batteriegeneration sein, die nach der Kommerzialisierung von Festkörperbatterien folgt.

LFP und Natrium‑Ion könnten ebenfalls für Anwendungen und Produkte, die auf niedrige Kosten statt hoher Leistung abzielen, relevant sein.

Und natürlich vielleicht sogar noch exotischere Designs für großtechnische Batterien mit sehr unterschiedlichen Anforderungen im Vergleich zu Elektroautos, wie Eisen‑Luft, Redox, Schwerkraft‑ oder Betonbatterien, die wir in unseren Artikeln „Die Zukunft der Energiespeicherung – Großtechnische Batterietechnologie“ und „Nicht‑chemische Alternativen zu Batterien für die Energiewende“ diskutiert haben.

In jedem Fall tendiert die Zukunft der Energiesysteme zur massenhaften Elektrifizierung. Und die Batterietechnologie entwickelt sich sehr schnell weiter, was wahrscheinlich das letzte Hindernis für die massenhafte Einführung von Elektroautos und erneuerbaren Energien beseitigen wird.