Mit Quarzpulver zu besseren Lithium-Schwefel-Akkus

10. Mai 2017, 07:00
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Forscher entdeckten durch Zufall, dass Quarzpulver als Akku-Zusatz die verfügbare Energie steigert und Kapazitätsverluste bei der Ladung schwächt

Viligen – Lithium-Schwefel-Akkus können theoretisch deutlich mehr Energie liefern als die heutigen Lithiumionen-Akkus. Allerdings schwächeln sie bereits nach wenigen Ladezyklen. Das ließe sich mit Quarzpulver bremsen, berichteten nun Forscher des Schweizer Paul Scherrer Instituts (PSI) im Fachblatt "Nature Energy".

Für den breiten Einsatz wie in Elektroautos sind Lithium-Schwefel-Akkus bisher nicht geeignet. Zwar könnte man damit wohl theoretisch weiter fahren, bevor man den Akku wieder laden muss, dafür nimmt die Kapazität bei wiederholtem Aufladen schnell ab. Prototypen halten bei weitem nicht so viele Ladezyklen durch wie die gängigen Lithiumionen-Akkus. Auch liefern sie bisher nur einen Bruchteil der theoretisch möglichen Energie.

Problematische Polysulfide

Die Forscher um Claire Villevieille vom PSI haben nun mittels eines auf Röntgenlicht basierenden Verfahrens die Vorgänge in einem solchen Akku untersucht und stellten dabei fest, wie Veränderungen der Lithium-Schwefel-Verbindungen zum Kapazitätsverlust führen. Es gibt aber eine Möglichkeit, den Verlust zu bremsen: Setzt man dem Elektrolyten, der flüssigen Komponente des Akkus, gewöhnliches Quarzpulver zu, verlangsamt sich nicht nur den Kapazitätsverlust, sondern die verfügbare Energie nimmt auch zu.

"Mit diesem Zusatz leistet ein Lithium-Schwefel-Akkus 25 bis 30 Prozent mehr", so Villevieille. Beim Betrieb des Lithium-Schwefel-Akkus entstehe eine Art "Schmutz", der die Kapazität sinken lässt. Genauer gesagt handelt es sich um sogenannte Polysulfide, die ein gewöhnlicher Bestandteil des Akkus sind, aber teils unerwünscht in den Elektrolyt übergehen.

Zufallsentdeckung

Polysulfide können sich beim Laden und Entladen zwischen den Elektroden hin und her bewegen und sich an der Lithium-Elektrode ablagern. Dadurch verringert sich die Menge des zur Verfügung stehenden Schwefels und damit die Kapazität, so die Forscher. Quarzpulver könne das jedoch verhindern, indem es die Polysulfide binde und das Akku-Innere länger "sauber" und funktionstüchtig halte.

Auf diese säubernde Wirkung stießen die Forschenden durch Zufall: Normalerweise lassen sich mit dem verwendeten Röntgen-Analyseverfahren – der Röntgendiffraktion – keine flüssigen Komponenten beobachten. Um die Polysulfide dennoch untersuchen zu können, tauchten die Forscher Glasfasern in den Elektrolyt. Dabei stellten sie fest, dass die Glasfasern die unerwünschten Ablagerungen der Polysulfide verringerten. Da Glas hauptsächlich aus Quarz besteht, testeten sie daraufhin den Effekt von Quarzpulver und konnten dessen positive Auswirkungen genauer analysieren. (APA, 10.5.2017)

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