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Ein Forscherteam aus China und Österreich arbeitet an Alternativen zum umstrittenen Kobalt für den Bau von E-Auto-Batteriezellen. Schwefel und Sauerstoff gelten dabei als aussichtsreichste Materialien für zukünftige Akkus. Nun konnten die Wissenschaftler auch das Problem der bisher langen Ladezeiten lösen.
Dadurch könnten die Alternativen zu den heute herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien wesentlich leistungsfähiger sein als bisher angenommen. So gibt es bei den vielversprechenden Lithium-Sauerstoff und Lithium-Schwefel-Akkus einen Spannungsbereich, an dem die Zellen sehr effizient ge- und entladen werden können. Durch kleine Änderungen an der sogenannten Elektrolytflüssigkeit konnten die Forscher zudem den Wirkungsgrad weiter erhöhen. Wie der Standard berichtet, liegt das Problem bei Lithium-Ionen-Batterien an den benötigten Materialien wie Kobalt, Nickel oder Mangan. Laut dem an der Forschungsarbeit beteiligten Stefan Freunberger vom Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg, Niederösterreich, werden diese seltenen Metalle oft unter fragwürdigen Bedingungen abgebaut und verarbeitet, sind toxisch und teuer. Die Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle mit diesen Ausgangsstoffen benötigt zudem viel Energie. „Pro Kilowattstunde Speicherkapazität werden grob zwischen 350 und 400 Kilowattstunden verbraucht.“, so Freunberger, der auch das Recycling der ausgedienten Zellen als schwierig ansieht.
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Daher forschen Freunberger und seine Kollegen seit geraumer Zeit, ob man diese sogenannten Übergangsmetalle komplett weglassen kann und durch leicht verfügbare Materialien ersetzen könnte. Das vom Europäischen Forschungsrat (ERC) geförderte Vorhaben untersucht die Verwendung von häufig vorkommenden Elementen wie Sauerstoff, Schwefel, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Als Ziel haben die Forscher die Entwicklung von potenten Energiespeichern mit diesen leicht verfügbaren Elementen. Im Fokus der Wissenschaftler stehen dabei Sauerstoff und Schwefel als Ersatz von Kobalt im Batteriebau. Schwierigkeiten bereitete dem chinesisch-österreichischen Team aber bisher der Ladungstransport innerhalb der neuartigen Zellen. Erst eine Anpassung der Zusammensetzung der sogenannten Elektrolytflüssigkeit, die sich in den Zellen befindet, verhalf zum entscheidenden Durchbruch.
Danach beschäftigten sich die Forscher mit der Optimierung des Ladevorgangs. Anders als bei den gut erforschten Lithium-Ionen-Batterien ist die Datenlage bei den Zellen mit Schwefel und Sauerstoff unzureichend. Hier kamen die Wissenschaftler der Nanjing Tech University (China) zu dem überraschenden Ergebnis, dass eine Erhöhung des Lade- und Entladestroms einen gegenteiligen Effekt bei den neu entwickelten Zellen bewirkt. Sie fanden heraus, dass innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs das Potenzial der Schwefel-Sauerstoff-Batterien ähnlich wie das von Lithium-Ionen-Akkus sei. Daher streben die Forscher weitere Versuche in diese Richtung an.
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