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Lithium-Schwefel-Batterien werden dank maßgeschneiderter Kohlenstoffmaterialien haltbarer. Dr. Falko Böttger-Hiller arbeitet an einem Gassorptionsgerät, mit dem sich die Oberfläche und die Porengrößenverteilung der maßgeschneiderten Kohlenstoffhohlkugeln charakterisieren lassen. Das gezielte Einbringen von Poren in das Kohlenstoffmaterial hat sich als essentiell für die Langlebigkeit von Lithium-Schwefel-Batterien herausgestellt
TU Chemnitz/Mario Steinebach

Lithium-Schwefel-Batterien werden dank maßgeschneiderter Kohlenstoffmaterialien haltbarer. Dr. Falko Böttger-Hiller arbeitet an einem Gassorptionsgerät, mit dem sich die Oberfläche und die Porengrößenverteilung der maßgeschneiderten Kohlenstoffhohlkugeln charakterisieren lassen. Das gezielte Einbringen von Poren in das Kohlenstoffmaterial hat sich als essentiell für die Langlebigkeit von Lithium-Schwefel-Batterien herausgestellt

Die mangelnde Reichweite von Elektroautos gilt neben den hohen Anschaffungspreisen als Hauptgrund für die Zurückhaltung potentieller Käufer. Um eine einem durchschnittlichen Diesel-Fahrzeug entsprechende Reichweite zu erzielen, müssten die Batterien nach dem heutigen Stand der Technik mehr als 500 Kilogramm wiegen – die Energiedichte der Batterien ist noch viel zu gering. Diesem Problem haben sich Prof. Dr. Stefan Spange, Inhaber der Lehrstuhls Polymerchemie an der Technischen Universität Chemnitz, und sein Team verschrieben und nun erste Erfolge erzielt: Das Ergebnis der Forschungen ist eine Weiterentwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien unter Verwendung maßgeschneidertem Kohlenstoffmaterial.

Lithium-Schwefel-Batterien sind günstiger und verfügen im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus theoretisch über eine 6-fach höhere Energiedichte, allerdings auch über eine verminderte Haltbarkeit. Zumindest bisher, denn die Neuentwicklung aus Chemnitz könnte dies ändern.

 

Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien verlängert

 

Da Schwefel keinen elektrischen Strom leitet, muss er in Verbindung mit anderen Stoffen zum Einsatz kommen, i.d.R. ist dies Kohlenstoff. Vor allem aber stellen die Reaktionsprodukte des Schwefels, die sich beim Laden und Entladen der Batterie beständig lösen, ein Problem für die Lebensdauer der Akkus dar. Bis vor Kurzem waren daher max. 50 Ladezyklen möglich.

Im Rahmen seiner Doktorarbeit hatte Dr. Falko Böttger-Hiller nun winzige Kohlenstoffhohlkugeln in optimaler Größe und Beschaffenheit entwickelt, die zusammen zu einer Art Kohlenstoffschaum verschmelzen und den sich lösenden Schwefel quasi aufsaugen. In Batterietests durch die BASF SE hat sich gezeigt, dass diese maßgeschneiderten Kohlenstoffmaterialien zu deutlich leistungsfähigeren Batterien mit immerhin schon dem Dreifachen der Kapazität von derzeit gängigen Lithium-Ionen-Akkus führten. Zudem konnten mehr als 500 Lade- und Entlade-Zyklen erfolgreich durchgeführt werden und die Batterien wiesen auch dann noch ca. 70 Prozent 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", zeigt sich Prof. Spange überzeugt und ergänzt: "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."

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