Ein Team von Forschern aus der Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science an der University of Texas, Dallas (UTD) und der University of North Texas hat ein umweltfreundlicher Akku mit höherer Leistung Ersatz, der die Batterielebensdauer bis zu fünfmal verlängern kann.

Die meisten Smartphones und Elektronikgeräte verwenden Lithium-Ionen-Batterien, eine Art wiederaufladbarer Batterien, die nicht besonders lange halten. In Smartphones können Lithium-Ionen-Akkus etwa einen Tag halten, sodass Benutzer oft die Unannehmlichkeiten einer leeren Batterie haben.

Um dieser Einschränkung zu begegnen, haben die Forscher eine Methode entwickelt, um Lithium-Schwefel-Batterien zu verwenden, einen Batterietyp, der fast doppelt so viel Energie speichert wie Lithium-Ionen-Batterien.

Die Forschung ist veröffentlicht in der Zeitschrift Natur Nanotechnologie.

Warum Lithium-Schwefel?

Lithium-Schwefel-Batterien gelten seit langem als wünschenswerter Schritt in der Entwicklung der Batterielebensdauer.

Lithium-Schwefel-Batterien sind den Forschern zufolge günstiger in der Herstellung, wiegen weniger und schonen die Umwelt als Lithium-Ionen-Batterien.

„Normalerweise werden Kobalt- und Nickelmetalle für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwendet“, sagte Jeongwoon Hwang, Postdoc am Department of Materials Science and Engineering der UTD. „Diese Materialien existieren von Natur aus in Form von Metalloxiden und sollten durch Verwendung starker Säuren zu Metallelementen reduziert werden. Wenn die Entsorgung von Nebenprodukten des Reduktionsprozesses nicht ordnungsgemäß durchgeführt wird, ist dies schädlich für die Umwelt. Im Gegensatz dazu existiert Schwefel von Natur aus in elementarer Form.“

Darüber hinaus haben Lithium-Schwefel-Batterien eine etwa drei- bis fünfmal höhere Kapazität als Lithium-Ionen-Batterien. Kyeongjae „KJ“ Cho, Professor für Materialwissenschaften und -technik und Direktor des Multiscale Simulation Lab an der UTD, sagte in einer Erklärung.

Theoretisch würde das bedeuten, dass, wenn Ihr Smartphone-Akku derzeit nur drei Stunden hält, es mit einem Lithium-Schwefel-Akku neun bis 15 Stunden dauern könnte.

Leider haben Lithium-Schwefel-Batterien ihre eigenen Herausforderungen.

Probleme mit Lithium-Schwefel-Batterien

Ein Problem bei Lithium-Schwefel-Batterien besteht darin, dass Schwefel ein schlechter Leiter ist und sehr schnell instabil werden kann.

Darüber hinaus gehen Elektroden in Lithium-Schwefel-Batterien häufig kaputt, was erklärt, warum diese Batterien nicht häufig verwendet werden.

Wissenschaftler haben versucht, diese Probleme zu lösen, indem sie Lithiummetall auf eine Elektrode und Schwefel auf die andere auftragen, um ein Abbrechen der Elektroden zu vermeiden und die Batterien leitfähig zu halten. Diese Versuche sind gescheitert, weil Lithiummetall oft zu instabil und Schwefel zu isolierend ist.

Die Lösung

Aber die Forscher von UTD haben herausgefunden, wie man diese Probleme umgehen kann. Ihre neue Technologie kann eine Schwefel-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Substanz herstellen, die auf einer Elektrode mehr Leitfähigkeit erzeugt, sowie eine Nanomaterialbeschichtung, um der anderen Elektrode Stabilität zu verleihen.

Die Forscher fanden heraus, dass Molybdän, ein metallisches Element, das häufig wegen seiner hohen Festigkeit verwendet wird, ein Material erzeugen kann, das die Dicke der Beschichtung anpasst, die dünner als die Seide eines Spinnennetzes ist, wenn es mit zwei Schwefelatomen kombiniert wird.

Sie fanden heraus, dass dies die Stabilität verbessert und das Leitfähigkeitsproblem bei Schwefel beseitigt, was letztendlich zu einer höheren Leistungsdichte führt.

Die Forscher glauben, dass diese Technologie genau das ist, was benötigt wird, um Lithium-Schwefel-Batterien kommerziell nutzbar zu machen.

"Das war es, wonach jeder lange gesucht hat", sagte Cho in einer Erklärung. „Das ist der Durchbruch. Wir versuchen, Nebenreaktionen zu unterdrücken. Es ist eine Schutztechnologie.“

Mögliche Anwendungen

Diese Technologie könnte die Akkulaufzeit, wie wir sie kennen, verändern.

„Wir gehen den nächsten Schritt und werden das Material vollständig stabilisieren und es zu einer tatsächlichen, praktischen kommerziellen Technologie bringen“, sagte Cho in einer Erklärung.

Die Forscher glauben, dass Lithium-Schwefel-Batterien viele elektrische Anwendungen haben werden.

„Schwefel ist leicht, hat aber ein großes Volumen“, sagt Hwang. „So kann eine Lithium-Schwefel-Batterie dort eingesetzt werden, wo das Gewicht wichtiger ist als das Volumen. Eine mögliche Anwendung ist ein unbemanntes Fluggerät (oder Drohne), das nicht so klein wie ein Smartphone sein muss, aber leicht sein sollte. Da Lithium-Schwefel-Batterien billiger sind als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, können sie auch zur groß angelegten Speicherung von elektrischer Energie, wie z.