Gute Systeme zur Speicherung elektrischer Energie sind sowohl für stationäre Anwendungen als auch für die Elektromobilität der Zukunft von elementarer Wichtigkeit. Lithium-Akkus nähern sich aktuell schon der theoretisch erreichbaren Energiedichte an, weshalb hier mit konventioneller Technik keine großen Fortschritte mehr zu erwarten sind. Anders hingegen Lithium-Schwefel-Akkus: Mit einer theoretischen Energiedichte von 2.600 Wh/kg übertreffen sie konventionelle Lithium-Akkus um das Drei- bis Fünffache. Dafür sind die LiS-Akkus elektrochemisch deutlich komplexer, was vor allem in der isolierenden Eigenschaft von Schwefel begründet ist und gemeinhin als „shuttle effect“ bezeichnet wird. Durch Diffusion und Reaktion von Kathodenmaterial können sich nämlich Polysulfide an der Anode ablagern.

 

Forscher der Tsinghua University in Beijing um Qiang Zhang und Fei Wie haben nun eine neue Strategie entwickelt, um ultrastabile LiS-Akkus mit Hilfe von ionenselektiven Membranen zu erreichen. Hierdurch sinkt die zyklusabhängige Verschlechterung auf nur 0,08%/Zyklus im Bereich der ersten 500 Zyklen. Außerdem konnte auch der Coulomb-Wirkungsgrad (der Anteil der entnommenen an der eingespeisten Energie) um 10% gesteigert werden. Die neuesten Ergebnisse ihrer Forschungsarbeit wurden in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlicht.
Laut den Forschern wurde bisher hauptsächlich das Design für Kathodenstrukturen in LiS-Akkus untersucht, aber der Shuttle-Effekt bislang eher vernachlässigt. Mit der neuen selektiven Membran ist es nun möglich, Lithium- und Polysulfid-Ionen aufgrund ihrer unterschiedlichen Ladung zu trennen, weshalb die Polysulfide zurückgehalten werden können, was wiederum den Shuttle-Effekt verhindert. In den durchgeführten Experimenten konnte mit einer einfachen Beschichtung erreicht werden, dass eine Membran zwischen Anode und Kathode komplett ionenselektiv wirkt. Bei einer Zelle mit Glaswand konnte man gut sehen, dass keine Polysulfide auf die Anode gelangen konnten, wenn die neue Membran eingesetzt wurde.

 

Bild: Universität Tsinghua