Um eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien erreichen zu können, wird weltweit an zahlreichen elektrochemischen Systemen gearbeitet. Dazu zählen auch Festkörperbatterien auf der Basis von Lithium und Schwefel. Eine gravimetrische Energiedichte von ungefähr 2600 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) können Lithium-Schwefel-Batterien theoretisch erreichen.

Bislang erreichen Prototypen im Labor knapp 350 Wh/kg. Das ist schon rund das Doppelte von Lithium-Ionen-Batterien. An kurzen Ladezeiten und einer verlässlichen Langzeitstabilität hapert es allerdings noch. Jetzt haben Forschende um Robert Bradbury vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HBZ) mithilfe von Neutronen die Ursache für einige Schwächen der Lithium-Schwefel-Batterien herausgefunden.

Bradbury und seine Kollegen haben für ihre Analyse eine spezielle Zelle gebaut, um den Transport von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode genauer zu beobachten. Die Probezelle wurde Neutronen ausgesetzt, die empfindlich auf Lithium reagierten. Wie sich die Lithium-Ionen durch die Kathode der Batterie ausbreiteten, haben Neutronenradiographie und Neutronentomographie gezeigt. Dadurch, dass dieser Prozess erstaunlich langsam verlief, begrenzte dies die Leistung der Batterie. Während des Ladens konzentrierte sich das Lithium außerdem in der Nähe des Stromabnehmers. Bradbury sagt dazu: "Dies führt zu einer verminderten Kapazität, da nur ein Teil des Lithiums beim Aufladen der Batterie zurücktransportiert wird".

Die Forschenden haben mit ihren Messungen damit bisher übersehende Schwächen von Lithium-Schwefel-Batterien offenbart. Zusätzlich ließ sich die beobachtete inhomogene Lithiumverteilung mit Modellrechnungen nachvollziehen. Auf dieser Grundlage können Entwickler von Lithium-Schwefel-Batterien nun gezielt an Verbesserungen für einen schnelleren Ionentransport innerhalb der Batterie arbeiten.

(ts, hannover)

(siehe auch: Heise-News-Ticker)

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