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Mar 15, 2024

Das Versprechen eines Lithiums

Den Wandel vorantreiben: Eine Lithium-Schwefel-Batterie ist kostengünstig und verfügt über eine hohe Dichte. Sie könnte die Zukunft des Transportwesens antreiben – falls sie jemals auf den Markt kommt. Von Katie Fehrenbacher 7. März 2023 Lyten, ein in Kalifornien ansässiger

Den Wandel vorantreiben

Eine Lithium-Schwefel-Batterie ist kostengünstig und verfügt über eine hohe Dichte. Sie könnte die Zukunft des Transportwesens antreiben – falls sie jemals auf den Markt kommt.

Von Katie Fehrenbacher

7. März 2023

Lyten, ein in Kalifornien ansässiges Startup, entwickelt eine Lithium-Schwefel-Batterie. Unternehmen und Wissenschaftler bemühen sich darum, den Code für eine bahnbrechende Batterie zu knacken, die nach der Lithium-Ionen-Batterie die nächste sein könnte. Bild über Shutterstock/T. Schneider

Das Element Schwefel ist günstig und reichlich vorhanden. Davon gibt es so viel auf der Erde, dass nach der Entölung von Erdöl und Erdgas häufig große gelbe Haufen davon vor Raffinerien für fossile Brennstoffe liegen.

Aber Elektrochemiker – Wissenschaftler, die erforschen, wie chemische Reaktionen Strom erzeugen – sehen Schwefel seit langem als verlockende Aussicht auf eine unglaubliche Energiespeicherung. Denn die Kombination von Lithium und Schwefel hat das Potenzial, eine außergewöhnliche Batterie herzustellen, die sowohl mehr Energie speichern als auch kostengünstiger hergestellt werden kann als die Lithium-Ionen-Batterien, die heute in Laptops und Elektrofahrzeugen verwendet werden.

Eine kommerzielle Lithium-Schwefel-Batterie könnte „Elektrifizierung zu etwas machen, das reichlich vorhanden ist“, wobei „es einfach ist, alles zu elektrifizieren“, sagte Celina Mikolajczak, Chief Battery Technology Officer des Startups Lyten, beim Bloomberg New Energy Finance Summit im Januar in San Francisco. Lyten entwickelt eine Lithium-Schwefel-Batterie.

Aktuelle Lithium-Ionen-Batterien werden durch die begrenzte Versorgung mit Nickel beeinträchtigt. Kobalt, ein weiterer wichtiger Bestandteil heutiger Lithium-Ionen-Batterien, wird größtenteils in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut, wo es in den Kobaltminen zu Menschenrechtsproblemen kommt. Dahinter steckt die Idee, dass eine Lithium-Schwefel-Batterie aufgrund des Vorkommens und der geringen Kosten von Schwefel weitaus günstiger und weniger abhängig von Problemregionen sein könnte als die aktuelle Lithium-Ionen-Batterie, die etwa 150 US-Dollar pro Kilowattstunde kostet.

Gleichzeitig könnte die Verwendung von Schwefel in einer Batterie eine theoretisch superhohe Energiedichte liefern, also eine Energiemenge, die die Batterie mit einer einzigen Ladung aufnehmen kann. Heutige Elektrofahrzeuge können pro Ladung etwa 300 Meilen weit fahren, aber eine Lithium-Schwefel-Batterie könnte diese Reichweite möglicherweise verdoppeln – oder ein Elektrofahrzeug schaffen, das halb so schwer ist wie das mit Lithium-Ionen betriebene Äquivalent.

Zumindest sind das die großen Hoffnungen. Lithium-Schwefel-Batterien sind immer noch auf Forschungslabore beschränkt.

Doch während Geld aus dem Inflation Reduction Act in einen aufstrebenden US-Batteriesektor fließt, bemühen sich Unternehmen und Wissenschaftler darum, den Code zu knacken, um eine bahnbrechende Batterie zu entwickeln, die nach Lithium-Ionen die nächste sein könnte. Auf dem Spiel steht eine Technologie, die potenziell sowohl Elektrofahrzeuge als auch die Speicherung sauberer Energie beschleunigen könnte.

Die große Frage ist, ob ein Unternehmen eine Lithium-Schwefel-Batterie entwickeln und herstellen kann, die in großen Mengen wie angekündigt funktioniert. Während Start-ups, Forscher und große Batterieunternehmen an der Chemie arbeiten, werden keine Lithium-Schwefel-Batterien kommerziell in großem Maßstab hergestellt.

„Schwefel ist widerspenstig. Lithium ist widerspenstig. Wenn man diese beiden Elemente zusammenfügt, entsteht eine Chemie, mit der man wirklich nur schwer arbeiten kann“, sagte Mikolajczak auf dem BNEF-Gipfel. „Es gibt einen Grund, warum diese Chemie schon lange nicht mehr genutzt wurde.“

Ein Problem besteht darin, dass Schwefel, der als Kathode der Lithium-Schwefel-Batterie verwendet wird, beim Laden und Entladen einen Phasenwechsel durchläuft. Es bewegt sich von fest zu flüssig und wieder zurück zu fest. Das mache es wirklich „pingelig“, sagte Mikolajczak. „Es ist schmerzhaft, damit zu arbeiten. Da explodiert einem der Kopf.“

Bei frühen Versuchen mit Lithium-Schwefel-Batterien löste sich die Schwefelverbindung im Elektrolyten auf, dem Medium (normalerweise Flüssigkeit), durch das sich die Ionen laden und entladen.

Viele Versuche, Lithium-Schwefel-Batterien zu entwickeln, endeten mit schlecht funktionierenden Batterien, die Dendriten entwickeln, winzige Metallstrukturen, die sich während des Ladevorgangs bilden können. Dendriten verursachen Kurzschlüsse und Batterieausfälle, und Lithium-Schwefel-Batterien hatten Probleme, hohe Ladezyklen aufrechtzuerhalten.

Mikolajczaks Firma Lyten – ein acht Jahre altes Startup mit Sitz in San Jose, Kalifornien – kann eine zerknitterte Form von Graphen herstellen, das angeblich den Schwefel in der Batterie hervorragend zusammenhält und gleichzeitig als Leiter fungiert. Das Unternehmen gibt an, bei seinen Versuchen vielversprechende Ergebnisse erzielt zu haben, und Mikolajczak sagte GreenBiz in einem Interview, dass sie davon ausgeht, dass Lyten in etwa einem Jahr in der Lage sein wird, „eine respektable Batteriezelle“ zu entwickeln. Es werde keine großen Stückzahlen geben, aber frühe Kunden könnten es nutzen, sagte sie. Lyten plant, die Batterien an Autohersteller sowie Hersteller von Drohnen und Flugfahrzeugen zu verkaufen.

Forscher des Argonne National Laboratory haben kürzlich auch einige Fortschritte bei der Lithium-Schwefel-Batterie erzielt. Die Wissenschaftler von Argonne haben eine poröse schwefelhaltige Schicht innerhalb der Batterie geschaffen, die dazu beitragen kann, die Materialien vor der Zerstörung durch Dendriten zu schützen.

Im Labor konnte die Lithium-Schwefel-Batterie von Argonne 700 Mal geladen und entladen werden, was mit heutigen Lithium-Ionen-Batterien konkurrenzfähig ist. Das Wissenschaftlerteam von Argonne konnte den Erfolg der Schicht innerhalb der Lithium-Schwefel-Zelle mithilfe eines hochmodernen Röntgenbeugungsgeräts in einem der Labore von Argonne beobachten. Es ist ein milliardenschweres, hochmodernes Werkzeug.

Der Argonne-Wissenschaftler Guiliang

Die USA sind natürlich nicht der einzige Ort, an dem Forscher versuchen, den Lithium-Schwefel-Code zu entschlüsseln. Die Europäische Union finanzierte das gerade abgeschlossene LISA-Projekt und untersuchte die Entwicklung von Innovationen rund um das Design von Lithium-Schwefel-Batteriezellen.

Der koreanische Riese LG hat über seinen Energiezweig LG Energy Solution angekündigt, im Jahr 2025 versuchen zu wollen, eine Lithium-Schwefel-Batterie auf den Markt zu bringen. Ein deutsches Startup namens Theion sagt auf seiner Website, dass es ebenfalls versucht, eine Lithium-Schwefel-Batterie auf den Markt zu bringen bald.

Mit neuen Mitteln aus der kürzlich verabschiedeten IRA könnten US-Unternehmen bereit sein, von der staatlichen Unterstützung und dem wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge zu profitieren.

Mikolajczak von Lyten nannte die IRA „riesig“ für die Entwicklung neuer Batterien. „Die Herstellung von Batterien ist sehr kapitalintensiv. [Die IRA-Subventionen] geben jedem viel mehr Kampfchancen“, sagte Mikolajczak zu GreenBiz.

Gleichzeitig werden die Automobilhersteller aggressiver, wenn es um Investitionen in Batterietechnologie und Batterielieferkette geht. Unternehmen wie GM, Daimler und Ford arbeiten mit vielversprechenden Batterie-Startups und Batteriemineralienlieferanten zusammen. Andere reine EV-Unternehmen wie Tesla und BYD investieren seit langem stark in ihre Batterietechnologie.

Klimatechnologie-Startups scheinen relativ immun gegen Rezessionsängste und Entlassungen zu sein als ihre IT-Startup-Pendants. Private Investoren finanzieren weiterhin Klimatechnologie-Startups, darunter Batteriehersteller wie Lyten, die bisher über 200 Millionen US-Dollar an Finanzmitteln eingesammelt haben.

Trotz der jüngsten Innovationen und Finanzierung haben Lithium-Schwefel-Batterien noch einen langen Weg vor sich. Die aktuelle Lithium-Ionen-Batterie, die die heutige EV-Revolution antreibt, profitiert von 30 Jahren Fortschritt. Es wird noch viele Jahre – wenn nicht Jahrzehnte – dauern, bis ein Lithium-Schwefel-Akku in einem Auto zum Einsatz kommt, wie es bei Teslas oder GMs üblich ist.

Die ersten Lithium-Schwefel-Batterien werden wahrscheinlich in Fahrzeugen und Geräten landen, die superleicht sein müssen. Da die Lithium-Schwefel-Batterie über die doppelte Energiedichte verfügt, könnte sie ein Fahrzeug mit halbiertem Gewicht antreiben.

Dieses geringe Gewicht könnte dabei helfen, die ersten Kunden zu ermitteln. Wenn Lithium-Schwefel-Batterien endlich das Labor verlassen, sollten wir nicht damit rechnen, dass die ersten auch Autos auf der Straße antreiben werden. Stattdessen werden es wahrscheinlich Drohnen und kleine Flugfahrzeuge am Himmel sein.

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