Metall-Schwefel-Batterien

Unter dem Begriff (nicht thermaler) Metall-Schwefel-Batterien werden Metall-Schwefel-Batterien zusammengefasst, die bei Raumtemperatur betrieben werden – im Gegensatz zu thermalen, die erst bei höheren Temperaturen funktionieren und aktiv beheizt werden müssen. Sie befinden sich noch in der Entwicklung.

Prominenteste Vertreter dieser Batterietypen sind die Lithium-Schwefel-Batterien. Von dieser Technologie sind bereits Prototypen gebaut und erfolgreich eingesetzt worden. Marktreife hat aber bislang kein System erlangt. Sollte dies allerdings passieren, ist mit besonders kostengünstigen Batterien zu rechnen. Denn der eingesetzte Schwefel ist nicht nur reichlich vorhanden, er ist auch ein Abfallprodukt, das bei der Entschwefelung von Erdgas und Erdöl anfällt, was für niedrige Preise sorgt.

Lithium-Schwefel-Batterien, kurz Li-S-Batterien, stellen einen Batterietyp dar, der hohe gravimetrische Energiedichten bei moderaten Kosten verspricht. Bei gleicher Kapazität ist dieser Batterietyp also deutlich kostengünstiger als Lithium-Ionen-Systeme, allerdings auch deutlich größer, da er eine geringere volumetrische Energiedichte besitzt. Es gibt zwar bereits Prototypen, die etwa in einem unbemannten Höhenplattform-Flugzeug erfolgreich getestet wurden. Noch verhindern aber einige Herausforderungen eine erfolgreiche Kommerzialisierung.

Das Kathodenmaterial gängiger Lithium-Ionen-Zellen ist die teuerste Komponente einer Batterie. Es macht mehr als 20 Prozent der Zellkosten aus. Es enthält Cobalt und Nickel. Beides sind eher seltene Rohstoffe, deren Kosten bei einer zunehmenden Massenproduktion von Batterien eher noch steigen als sinken werden. In Lithium-Schwefel-Batterien entfällt diese Kostenposition, wodurch sich potenziell mehr als 20 Prozent der Kosten sparen lassen, denn Schwefel ist sehr preisgünstig und in großen Mengen vorhanden.

Die theoretische gravimetrische Energiedichte ist mit rund 2.500 Wattstunden pro Kilogramm fast zehnmal so groß wie die von gängigen Lithium-Ionen-Batterien. Geht man allerdings davon aus, dass Lithium-Ionen-Batterien in den kommenden 20 Jahren optimal zu höheren gravimetrischen Energiedichten weiterentwickelt werden, und betrachtet man die Lithium-Schwefel-Technologie auf der Systemebene – also inklusive aller zusätzlicher Komponenten, die derzeit für den tatsächlichen Betrieb notwendig sind – können die Vorteile der Li-S-Systeme der gravimetrischen Energiedichte gering sein. Ein Kostenvorteil bliebe jedoch weiterhin bestehen.

Noch ist die Lebensdauer von Li-S-Batterien begrenzt auf weniger als 200 Be-und-Entlade-Zyklen. In Metall-Ionen-Batterien werden die Metall-Ionen beim Laden und Entladen in den Elektroden in Gitterstrukturen ein- und ausgelagert, die sich dabei kaum verändern. In einer Li-S-Batterie wird hingegen die Schwefel-Elektrode bei der Entladung abgebaut und bei der Ladung wieder aufgebaut. Dabei kommt es zu starken morphologischen Veränderungen, die es in Griff zu bekommen gilt. Auch mit unerwünschten Nebenreaktionen hat dieser Batterietyp noch zu kämpfen.

In der Theorie sind Magnesium-Schwefel-(Mg-S-)Batterien sichere und äußerst kostengünstige Batterien, die bei gleicher Kapazität nur wenig schwerer sind als Lithium-Ionen-Systeme, aber deutlich kleiner. Magnesium und Schwefel kommen häufig in der Natur vor und die Materialkosten könnten im Idealfall nur vier Prozent der Materialkosten von denen für Lithium-Ionen-Batterien betragen. In der Praxis gibt es allerdings noch jede Menge Herausforderungen, welche die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler lösen müssen.