Nach dem Lithium kommt – Lithium. Das klingt zunächst paradox, aber das Alkalimetall dürfte sich auch noch in den zukünftigen Generationen von Akkumulatoren finden lassen. Heutzutage besteht die Kathode vor allem aus Oxiden, die Metalle wie zum Beispiel Cobalt und Nickel enthalten. Dorthin wandern die geladenen Lithium-Atome, die Ionen, beim Entladen der Zelle. Die teuren und teilweise auch giftigen Metalloxide möchte Holger Althues durch ein preiswertes Element ersetzen. Am Fraunhofer IWS in Dresden forscht er mit seinem Team an Lithium-Schwefel-Akkumulatoren. Von einer Elektrode aus Lithiummetall wandern die Ionen beim Entladen zum Gegenpol. Dort treffen sie auf den Schwefel, der bei Raumtemperatur in Form von Ringmolekülen aus jeweils acht Atomen vorliegt.
"Als Rohstoff setzen wir tatsächlich elementaren Schwefel ein, wie er in großen Mengen als Abfallprodukt der Ölindustrie anfällt. Und genau diesen Schwefel kann man nutzen in der elementaren Form prinzipiell. Und der Schwefel kann dabei eine sehr hohe Speicherkapazität entwickeln. Und jedes Schwefelatom nimmt zwei Lithiumionen auf, und dadurch kommt eine sehr hohe Speicherkapazität zustande."
Batterien auf Basis von Natrium und Schwefel
Außerdem arbeitet Holger Althues daran, auch für die Anode ein preiswertes Elektrodenmaterial zu nutzen – nämlich jenes Alkalimetall, das im Periodensystem direkt unter dem Lithium steht: Natrium. Das lässt sich aus Kochsalz gewinnen und steht daher im Gegensatz zum Lithium in nahezu unbegrenzten Mengen zur Verfügung. Batterien auf Basis von Natrium und Schwefel finden zur Zeit vor allem in Japan Verwendung als Energiespeicher zur Pufferung von Stromnetzen. Sie funktionieren mit geschmolzenem Natrium und Schwefel. Deshalb brauchen sie Betriebstemperaturen von rund 300 Grad. Solch ein Konzept kommt für die Fraunhofer-Forscher jedoch nicht in Frage, denn das Beheizen der Batterie verringert deren Effizienz.
"Nein, wir versuchen, die Konzepte der Lithium-Schwefel-Batterie bei Raumtemperatur auf die Natrium-Schwefel-Batterie anzuwenden und können dabei erstmalig zeigen, dass diese Chemie, Natrium mit Schwefel, auch bei Raumtemperatur eingesetzt werden kann."
Die Herausforderung bei den Schwefelzellen besteht darin, dass die Alkalimetalle die Flüssigkeit im inneren der Zelle, den Elektrolyten, angreifen und zersetzen. Die Wissenschaftler suchen daher nach stabilen Elektrolyten und erproben Schutzschichten, mit denen sie die Metallelektroden überziehen können. Die allmähliche Zersetzung der Zellflüssigkeit stellt übrigens auch bei den heute üblichen Lithium-Akkus ein Problem dar.
Lebensdauer der Lithiumzellen erhöhen
"Der flüssige Elektrolyt, der aus organischen Komponenten besteht, reagiert bei jedem Zyklus ein kleines bisschen, wenn auch nur im geringen Maße, ab, was den Elektrolyten langfristig zersetzt und dann auch langfristig die Leistungsfähigkeit der Batterie reduziert", erklärt Jürgen Janek, Chemieprofessor in Gießen.
Um die Lebensdauer von Lithiumzellen zu erhöhen, möchte er den flüssigen Elektrolyten durch einen festen ersetzen, zum Beispiel durch eine dünne Schicht aus Keramik. Die muss so beschaffen sein, dass sie die Lithium-Ionen passieren lässt, aber ansonsten eine stabile Barriere zwischen den beiden Polen der Batterie darstellt. Als Materialen kommen für solch eine Feststoffbatterie vor allem Schwefel- und Schwefelphosphorverbindungen in Frage.
"Festkörperchemiker haben in den letzten Jahrzehnten ein breites Spektrum an Stoffen entwickelt, die hohe Leitfähigkeiten haben können, die aber jetzt auf ihre Stabilität mit den dann zu verwendenden Elektrodenmaterialien geprüft werden müssen."
Die Entwicklung dieser Zelltypen steckt also noch in den Kinderschuhen. Und auch für die Herstellung von Feststoffbatterien müssten neue Pfade beschritten werden. Flüssige Elektrolyte lassen sich einfach in die Zelle einsaugen. Die festen Verbindungen werden wohl als Pulver aufgetragen werden müssen.
"Ich glaube, dass es einfach noch eine Reihe von grundsätzlichen Fragen zu klären gilt, was überhaupt die Produktionstechnologie betrifft, dass ich jetzt keine Vorhersage machen würde, würde aber sagen, dass es mindestens zehn, 15 Jahre sein wird, bevor die Feststoffbatterie ein kommerzielles Produkt sein kann."