Stärker, langlebiger und sicherer: Zinn-Schwefel-Lithiumionen-Akku als Alternative zu konventionellen Lithium-Akkus

12.03.2010: Ein häufiges Ärgernis bei Notebooks: Der Akku liefert Strom über eine viel zu kurze Zeitspanne, die mit zunehmendem Alter weiter sinkt. Behandelt man den Akku nicht immer absolut pfleglich, haucht er sein Leben rasch ganz aus. Entsprechend wird an verbesserten Akkus geforscht, die deutlich mehr Energie liefern, langlebiger und dabei betriebssicher sein sollen. Bruno Scrosati und Jusef Hassoun von der Universität Rom haben jetzt einen vielversprechenden Ansatz für eine neue Variante eines Lithiumionen-Akkus entwickelt, der, wie die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, diese Kriterien erfüllen könnte.

Das Dilemma: Handys, Notebooks, Smartphones und PDAs werden immer kleiner, aber gleichzeitig steigt ihr Energiebedarf. Die Akkus kommen da nicht mehr mit. Theoretisch wären Lithium-Schwefel-Akkus Energielieferant der Wahl, da sie - bezogen auf die Masse - wesentlich mehr Energie als konventionelle Lithiumionen-Akkus liefern. Die praktische Anwendung krankt aber daran, dass sich dessen Elektroden nach und nach auflösen, was zu Kapazitätsverlust führt. Außerdem kann sich Lithiummetall in Form von Verästelungen abscheiden, die Kurzschlüsse verursachen. Das ist der Grund, warum kommerzielle „Lithium“-Akkus keine metallischen Lithiumelektroden enthalten, sondern ein Material, das Lithiumionen aufnehmen und wieder freigeben kann, oft Graphit. Eine solche korrekterweise Lithiumionen-Akku genannte Zelle erzeugt die Quellenspannung nur über eine Verschiebung von Lithiumionen und liefert entsprechend weniger Energie.

Die italienischen Forscher wollen nun die Vorteile beider Akku-Typen vereinen, um zu langlebigen, gut lagerbaren, betriebssicheren, einfach herstellbaren Akkus mit hoher Kapazität zu kommen. Ihr neuer Typus einer lithiummetallfreien Zelle arbeitet mit einer Kathode (negative Elektrode) aus einem Kohlenstoff-Lithiumsulfid-Komposit. Die organische Elektrolytlösung ersetzten sie durch eine in eine Gel-Polymermembran eingeschlossene lithiumionenhaltige Flüssigkeit. Das Polymer schirmt die Flüssigkeit von den Elektroden ab. Die Lösung ist zudem mit Lithiumsulfid gesättigt. Beide Maßnahmen minimieren das Auflösen von Elektrodenbestandteilen. Als Anode (positive Elektrode) wählten Scrosati und Hassoun nanoskopische Zinnpartikel, die in eine schützende Kohlenstoffmatrix eingeschlossen sind.

Der elektrochemische Prozess läuft folgendermaßen ab: An der Kathode wird Lithiumsulfid in elementaren Schwefel und Lithiumionen gespalten. Dabei werden Elektronen abgegeben. Die Lithiumionen wandern durch die Elektrolytmembran zur Anode, wo sie Elektronen aufnehmen und zu ungeladenen Lithiumatomen werden. Letztere werden von den Zinn-Nanopartikeln der Anode in Form einer Legierung gebunden. Der Prozess ist reversibel, sodass der Akku immer wieder aufgeladen werden kann. Mit einer spezifischen Energie von ca. 1100 Wh/kg übertrifft die neue Zelle alle bisherigen lithiummetallfreien Akkus. Mit dieser hohen Energiedichte könnte der neue Akku sich auch als Stromquelle der Wahl für elektrische Fahrzeuge etablieren.

Originalveröffentlichung: Bruno Scrosati; "A High-Performance Polymer Tin Sulfur Lithium Ion Battery"; Angewandte Chemie