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Lithium-Schwefel-Batterien

Abkürzung: Li-S-Batterien

Lithium-Schwefel-Batterien stellen einen neuen Batterietyp dar, der hohe gravimetrische Energiedichten bei moderaten Kosten verspricht. Es gibt zwar bereits Prototypen, die etwa in einem unbemannten HAPS-Flugzeug erfolgreich getestet wurden,1 und Kleinserien. Eine flächendeckende Kommerzialisierung hat bislang allerdings nicht stattgefunden.2

Li-S-Batterien zählen nicht zu den Lithium-Ionen-Batterien, in denen die Lithium-Ionen sogenannte Interkalationsverbindungen mit dem Elektrodenmaterial eingehen. Im Gegensatz zu diversen anderen Metall-Schwefel-Batterien werden Lithium-Schwefel-Batterien bei Zimmertemperatur betrieben. In diesem Lexikon werden Metall-Schwefel-Batterien, die bei höheren Temperaturen betrieben werden, zu den Thermalbatterien gezählt.

Aufbau

Li-S-Batterien besitzen meist eine Kathode, die aus Schwefel und Kohlenstoff besteht, und eine Anode aus Lithium-Metall, um die hohe spezifische Kapazität der Schwefel-Kathode ausnutzen zu können.

Es gibt mittlerweile auch Ansätze, statt einer Festkörper-Schwefel-Elektrode eine flüssige Polysulfidlösung zu verwenden. Die Idee ist nicht neu und wurde bereits 1975 veröffentlicht.3

elektrochemische Reaktion

An der Lithium-Anode wird beim Entladen Lithium oxidiert und Lithium-Ionen gehen in den Elektrolyten über. An der Kathode verbinden diese sich dann mit dem Schwefel und es bilden sich über Zwischenstufen verschiedene Lithiumsulfide, bis schließlich Lithiumsulfid (chemische Formel Li2S) entsteht.

In der Variante, in der auf eine Festkörper-Schwefel-Elektrode verzichtet und statt dessen eine flüssige Polysulfidlösung verwendet wird, lautet die grundlegende elektrochemische Reaktion:

Redoxreaktion in einer Lithium-Schwefel-Batterie auf Basis einer Polysulfidlösung

Herausforderungen und Potenziale

Das Kathodenmaterial gängiger Lithium-Ionen-Zellen ist die teuerste Komponente einer Batterie (mehr als 20 Prozent der Zellkosten). Es enthält Cobalt und Nickel. Beides sind seltene Rohstoffe, deren Kosten bei einer Massenproduktion von Batterien eher steigen, statt zu sinken. In Lithium-Schwefel-Batterien entfällt diese Kostenposition, wodurch sich potenziell mehr als 20 Prozent der Kosten sparen lassen, denn Schwefel ist sehr preisgünstig und in großen Mengen vorhanden. Trockene Elektrodenherstellverfahren können zusätzlich die Produktionskosten senken.

Die theoretische gravimetrische Energiedichte ist mit rund 2.500 Wh/kg fast zehnmal so groß wie die von gängigen Lithium-Ionen-Batterien. Geht man allerdings davon aus, dass Lithium-Ionen-Batterien in den kommenden 20 Jahren optimal zu höheren gravimetrischen Energiedichten weiterentwickelt werden, und betrachtet man die Lithium-Schwefel-Technologie auf der Systemebene – also inkl. aller zusätzlicher Komponenten, die aus heutiger Sicht für den tatsächlichen Betrieb notwendig sind – zeigen Li-S-Systeme keine Vorteile mehr bezüglich der gravimetrischen Energiedichte.3,4

Dafür weist die Li-S-Batterie aber Nachteile bezüglich der volumetrischen Energiedichte auf. Da der Bauraum in Autos sehr begrenzt ist, stellt dies eine große Hürde für den Einsatz solcher Batterietypen in Elektrofahrzeugen dar. Derzeit erscheinen für Li-S-Batterien deshalb eher Anwendungen realistisch, bei denen es mehr auf das geringe Gewicht der Batterie ankommt, als deren Größe wie Quadrocopter, Flugzeuge und Schiffe.

Die Zyklenstabilität, also die Lebensdauer von Li-S-Batterien, ist bisher noch sehr gering (begrenzt auf weniger als 200 Zyklen). Zellen aus der vorkommerziellen Produktion erreichen bei einer Energiedichte von 350 Wh/kg nur etwa 100 Zyklen. Allerdings wurden im Labormaßstab schon Zellen realisiert, die eine deutlich höhere Lebensdauer von mehreren 1.000 Zyklen aufweisen.

Der Grund für die derzeit geringe Lebensdauer ist u. a. folgender: In Lithium-Ionen-Batterien werden die Lithium-Ionen beim Laden und Entladen in den Elektroden in Gitterstrukturen ein- und ausgelagert, die sich dabei kaum verändern. In einer Li-S-Batterie wird die Lithium-Metall-Anode bei der Entladung hingegen abgebaut und bei der Ladung wieder aufgebaut. Dabei kommt es zu starken morphologischen Veränderungen, die es in Griff zu bekommen gilt. Denn das Lithium scheidet sich während der Zelladung nicht zwangsläufig gleichmäßig auf der Anode ab, sondern kann in Form von baumartiger Gebilden (Dendriten) darauf wachsen. Diese können sich in ungünstigen Fällen durch den Separator bohren und einen Kurzschluss auslösen. Die Dendriten können sich auch von der Elektrode ablösen, wodurch die Batterie an Kapazität verliert.2 Auch mit unerwünschten Nebenreaktionen hat dieser Batterietyp noch zu kämpfen.

Vor- und Nachteile2

Vorteile

  • Hauptvorteil von Li-S-Batterien liegt in der potenziell hohen gravimetrischen Energiedichte, die in perfekten Systemen auf bis zu 600 Wh/kg geschätzt wird
  • Hoffnung auf niedrige Kosten: Im Vergleich zu LIB erhofft man sich aufgrund der geringen Kosten von Schwefel deutlich günstigere Preise für die Energiespeicher. Teilweise werden diese jedoch durch die höheren Kosten von metallischem Lithium (gegenüber Graphit) wieder ausgeglichen.

Nachteile

  • volumetrische Energiedichte geringer als von Lithium-Ionen-Batterien (derzeit ca. 50 Prozent). Selbst in vollständig entwickelten Zellen kann maximal das Niveau von heutigen Lithium-Ionen-Batterien erreicht werden.
  • erreichbare Leistung geringer als in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien
  • Aktuelle Prototypen können nur bei Stromstärken von ca. C/2 betrieben werden.

Anwendungen2

Fluganwendungen, eine Verwendung in Automobilen ist zwar vorstellbar, jedoch aufgrund der derzeit geringen Leistungsdichte und volumetrischen Energiedichte problematisch.

Literatur

  1. Sion Power, Sion Power’s Lithium-Sulfur Batteries Power High Altitude Pseudo-Satellite Flight, Pressemitteilung vom 10.09.2014, Sion Power Corp.: Tucson, AZ, (2014); Online (jüngster Zugriff 01.06.2018)
  2. Thielmann, A.; Neef, C.; Hettesheimer, T.; Döscher, H.; Wietschel, M.; Tübke, J., Energiespeicher-Roadmap (Update 2017): Hochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zukünftiger Batterietechnologien, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI: Karlsruhe, (2017), S. 100f.; Online (jüngster Zugriff: 01.06.2018)
  3. Brummer, S. B.; Rauh, R. D.; Marston, J. M.; Shuker, F. S., Low Temperature Lithium/Sulfur Secondary Battery, Anual Progress Report for Period December 1, 1974 – December 1, 1975, prepared for Energy Research and Development Administration – Division of Electric Energy Systems; National Technical Information Services, US Department of Commerce: Springfield, VA (1975)
  4. Placke, T.; Klöpsch, R.; Winter, M., Quo Vadis Batterietechnologie?, Batterieforum Deutschland 2015, 21.-23. Januar 2015, Berlin
  • Althues, H.; Kaskel, S., Lithium-Sulfur-Batteries: Chances and Challenges, Batterieforum Deutschland 2015, 21.-23. Januar 2015, Berlin
  • Janek, J.; Adelhelm, P.; Sommer, H., Post Lithium Ion Technologies: Status, Development and Potential, Batterieforum Deutschland 2015, 21.-23. Januar 2015, Berlin