Solarbetriebene Drohne fliegt 11 Tage am Stück mit Lithium-Schwefel-Batterie

Angesichts der weitverbreiteten Verwendung elektronischer Produkte und der rasanten Popularität von Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnologie können wir heute wohl sagen, dass wir uns noch nie so viele Gedanken über die Energiedichte von Batterien gemacht haben wie heute.

Die Energiedichte der allgemein bekannteren ternären Lithiumbatterie kann 300 Wattstunden/Kilogramm erreichen. Eine Lithium-Schwefel-Batterie, deren Technologie noch nicht ausgereift ist und die bisher keine breite Anwendung findet, kann jedoch problemlos eine Energiedichte von 600 Wattstunden/Kilogramm erreichen, und die theoretische Energiedichte ist erstaunlich hoch!

Das von der International Battery Materials Association veröffentlichte „Lithium-Sulfur Battery White Paper“ weist darauf hin, dass die theoretische Energiedichte von Lithium-Schwefel-Batterien 2600 Wattstunden/Kilogramm beträgt!

Eine derart attraktive Energiedichte wird zwangsläufig Techniker aus verschiedenen Ländern anlocken, die dort Forschung betreiben. Am 29. Februar dieses Jahres veröffentlichte die National Natural Science Foundation of China die „Top Ten Advances in Chinese Science“ für 2023 und eine Studie über Lithium-Schwefel-Batterien wurde erfolgreich ausgewählt. Schauen wir uns diese Batterie heute genauer an.

Ähnliche Elemente

Unter den verschiedenen Batterien, die derzeit erforscht werden, ist nicht die Lithium-Schwefel-Batterie diejenige mit der höchsten Energiedichte, sondern die Lithium-Luft-Batterie. Ihre theoretische Energiedichte beträgt über 3.500 Wattstunden/Kilogramm und ist damit deutlich höher als die von Lithium-Schwefel-Batterien.

Das Prinzip besteht darin, Lithium als negatives Elektrodenmaterial und Luftsauerstoff als positives Elektrodenmaterial zu verwenden. Während der Entladung reagiert Sauerstoff unter Einwirkung eines Katalysators mit Lithiumionen und bildet Lithiumperoxid. Während des Ladevorgangs zersetzt sich Lithiumoxid zu Sauerstoff und Lithiumionen .

Es besteht kein Zweifel, dass dieser Batterietyp noch viele technische Schwierigkeiten aufweist, wie zum Beispiel:

▶Das beim Entladen entstehende Lithiumoxid lagert sich ab, was die Lade- und Entladeeffizienz der Batterie beeinträchtigt.

▶ Feuchtigkeit und Verunreinigungen in der Luft führen zur Korrosion der Batterie und verkürzen ihre Lebensdauer.

Wenn Labore derzeit „Lithium-Luft-Batterien“ untersuchen, geschieht dies daher häufig in einer Umgebung mit „reinem Sauerstoff“. Vielleicht wird es in Zukunft erfolgreich sein, aber derzeit sind Lithium-Luft-Batterien noch keine ausgereifte Technologie, die wir erreichen können.

Da die Verwendung von „Sauerstoff“ als positive Elektrode von Lithiumbatterien zu fortschrittlich ist, gibt es ein etwas realistischeres Material? Natürlich gibt es das.

Periodensystem der Elemente, Bild aus Wikipedia.

Im Periodensystem gehören Lithium und Natrium zur selben Elementgruppe und haben ähnliche chemische Eigenschaften. Da Lithium-Ionen-Batterien heute weit verbreitet sind, werden Natrium-Ionen-Batterien nach und nach kommerziell verfügbar und haben eine vielversprechende Zukunft.

Periodensystem der Elemente, Bild aus Wikipedia.

Auch im Periodensystem gehören Sauerstoff und Schwefel zur selben Elementgruppe und haben ähnliche chemische Eigenschaften. Da in Lithium-Luft-Batterien „Sauerstoff“ als positive Elektrode verwendet werden kann, kann auch Schwefel, ein Element derselben Familie, als positive Elektrode in der Batterie verwendet werden – dies ist die Lithium-Schwefel-Batterie.

Geschichte der Lithium-Schwefel-Batterien

Die Forschung an Lithium-Schwefel-Batterien begann in den 1960er Jahren.

Im Jahr 1967 schlugen Herbert und Ulam erstmals vor, Schwefel als positives Elektrodenmaterial für Lithiumbatterien zu verwenden. Zu beachten ist, dass es sich bei der derzeit vorgeschlagenen „Lithium-Schwefel-Batterie“ noch um eine Primärbatterie, also eine Einwegbatterie handelt.

In den 1980er Jahren haben Plichta et al. untersuchte den Lade- und Entlademechanismus von Lithium-Schwefel-Batterien.

Seit den 1990er Jahren wurden in der Forschung an Lithium-Schwefel-Batterien erhebliche Fortschritte erzielt und die Energiedichte kontinuierlich erhöht. Allerdings sind die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Lithium-Schwefel-Batterien relativ schlecht.

Nach 2014 begannen Lithium-Schwefel-Batterien in kleinen Mengen in die Testanwendungsphase einzutreten.

Anwendung auf großen Solardrohnen

Das Bild zeigt die Zephyr-Serie großer solarbetriebener Drohnen, die vom europäischen Unternehmen Airbus entwickelt und hergestellt werden. Das Bild stammt aus Wikipedia.

Im Jahr 2014 flog die große solarbetriebene Drohne Zephyr7, auch bekannt als West Wind 7, mithilfe von Lithium-Schwefel-Batterien elf Tage lang ununterbrochen. Die damals von Sion Power angebotenen Lithium-Schwefel-Batterien hatten eine Energiedichte von bis zu 350 Wattstunden pro Kilogramm.

Die Energiedichte von 350 Wh/kg scheint durchschnittlich zu sein, allerdings muss berücksichtigt werden, dass dies im Jahr 2014, also vor 10 Jahren, der Fall war. Damals waren mit alternativen Antrieben betriebene Fahrzeuge gerade erst auf dem Vormarsch und die Energiedichte der damals verwendeten Lithium-Ionen-Batterien erschien heute erbärmlich niedrig.

Obwohl Zephyr 7 Lithium-Schwefel-Batterien verwendet, erreichte der neuere „Zephyr S“, auch „Zephyr 8“ genannt, im Jahr 2022 64 Tage ununterbrochenen Höhenflug. Lithium-Schwefel-Batterien wurden beim „Zephyr 8“ jedoch nicht verwendet. Dies zeigt indirekt auch, dass sich Lithium-Schwefel-Batterien noch im Stadium der kleinmaßstäblichen Versuchsanwendung befinden.

Im Jahr 2020 führte die vom Korea Aerospace Research Institute entwickelte und mit Lithium-Schwefel-Batterien ausgestattete Höhen-Solardrohne „EAV-3“ erfolgreich einen Stratosphärenflugtest durch.

Solarbetriebene Drohne EAV-3, Bild aus Wikipedia.

Bei diesem Flugtest im Jahr 2020 erreichte die EAV-3 eine maximale Flughöhe von 22 Kilometern. Während des 13-stündigen Fluges flog die Drohne 7 Stunden lang stabil in der Stratosphäre in einer Höhe von 12 km bis 22 km.

Vorteile von Lithium-Schwefel-Batterien

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Lithium-Schwefel-Batterien bereits in kleinen Versuchsanwendungen eingesetzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien bietet es die folgenden zwei Hauptvorteile:

1. Die theoretische Energiedichte von Lithium-Schwefel-Batterien übersteigt die herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien bei weitem.

Vor zehn Jahren erreichten Lithium-Schwefel-Batterien 350 Wattstunden/Kilogramm, und die heutigen herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien haben diese Energiedichte nicht übertroffen.

Die Energiedichte wird auch als „Massenenergiedichte“ bezeichnet und bezieht sich auf die Energie pro Masseneinheit. Zum Beispiel:

Es gibt zwei Gruppen von Batterien mit gleicher Masse . Die Energiedichte der Batteriegruppe A beträgt 200 Wh/kg und die Energiedichte der Batteriegruppe B beträgt 400 Wh/kg. Dies bedeutet, dass die Batterielebensdauer der Batteriegruppe B unter denselben Nutzungsbedingungen doppelt so lang ist wie die der Batteriegruppe A.

Große, solarbetriebene Drohnen, die in extrem dünner Luft über 20.000 Metern fliegen, sind äußerst besorgt über ihr eigenes Gewicht. Daher versuchte man in der Anfangszeit, Lithium-Schwefel-Batterien zu verwenden. Das Hauptziel besteht darin, den Akkupack so leicht wie möglich zu machen und gleichzeitig eine möglichst große Energiespeicherkapazität zu haben.

Wenn gelber Schwefel verbrennt, schmilzt er zu einer blutroten Flüssigkeit und gibt eine blaue Flamme ab. Bild aus Wikipedia.

2. Das „Schwefel“-Material in Lithium-Schwefel-Batterien ist extrem billig und verfügt weltweit über reichliche Reserven.

Wenn die Lithium-Schwefel-Batterietechnologie in Zukunft wirklich ausgereift ist und in großem Maßstab eingesetzt wird, wird sie nicht durch das Angebot und den Preis von Schwefel eingeschränkt.

Ein Mann trägt Schwefelbrocken von einem Vulkan in Indonesien. Bild über Wikipedia.

Aktuelle Schwierigkeiten von Lithium-Schwefel-Batterien

Zwischen elementarem Schwefel und Lithiumsulfid besteht ein großer Volumenunterschied. Während der Reduktionsreaktion der Batterie, bei der sich elementarer Schwefel in „Lithiummonosulfid“ verwandelt, dehnt sich das Volumen um etwa 80 % aus.

▶Volumenerweiterung

Mit anderen Worten: Lithium-Schwefel-Batterien werden größer sein. Wenn es sich um die oben erwähnte große solarbetriebene Drohne handelt, wäre das in Ordnung, da sie aufgrund ihrer enormen Größe viel Spielraum hat, um der Ausdehnung des Batterievolumens standzuhalten.

Bei den von uns häufig genutzten Mobiltelefonen oder Autos wird es allerdings etwas problematisch, da bei beiden, insbesondere bei Mobiltelefonen, die Größe der Batterie beschränkt ist.

▶Shuttle-Effekt

Die Volumenerweiterung ist nicht die größte Schwierigkeit. Die größte technische Schwierigkeit bei Lithium-Schwefel-Batterien ist derzeit der „Lithium-Polysulfid-Shuttle-Effekt“.

Während des Lade- und Entladevorgangs von Lithium-Schwefel-Batterien löst sich das Zwischenprodukt Lithiumpolysulfid im Elektrolyten auf, wandert zur negativen Elektrode der Batterie und reagiert dann mit Lithiummetall, um neues Lithiumsulfid zu erzeugen. Dieser Vorgang wird als „Lithium-Polysulfid-Shuttle-Effekt“ bezeichnet und führt zu einem schnellen Abfall der Batteriekapazität und einer Verkürzung der Zykluslebensdauer.

Das Funktionsprinzip von Lithium-Schwefel-Batterien und der „Shuttle“-Effekt. Bild aus Wikipedia.

Neueste Entwicklungen

Um die aktuellen technischen Schwierigkeiten zu lösen, müssen Forscher die chemischen Reaktionen im Inneren von Lithium-Schwefel-Batterien besser verstehen, um die Probleme gezielt angehen zu können.

Aufgrund der geringen zeitlichen und räumlichen Auflösung herkömmlicher In-situ-Mikroskopie-Forschungstechniken und der Instabilität des Lithium-Schwefel-Systems ist dies jedoch schwierig zu erreichen.

Zu den „zehn größten Fortschritten der chinesischen Wissenschaft“ im Jahr 2023 gehört die Entwicklung einer hochauflösenden elektrochemischen In-situ-Transmissionselektronenmikroskopietechnologie durch Liao Honggang und Sun Shigang von der Universität Xiamen und Chen Jianfeng von der Chemisch-Technischen Universität Peking, die eine dynamische Echtzeitbeobachtung und Erforschung von Grenzflächenreaktionen an Lithium-Schwefel-Batterien auf atomarer Ebene ermöglicht.

Noch wichtiger ist, dass man fast hundert Jahre lang allgemein davon ausging, dass „elektrochemische Grenzflächenreaktionen“ nur als Einzelmolekülprozesse von „Reaktionen in der inneren Sphäre“ und „Reaktionen in der äußeren Sphäre“ existieren.

Dieses Mal enthüllten die Untersuchungen chinesischer Forscher die Existenz eines dritten Weges, nämlich der „Ladungsspeicher-Aggregationsreaktion“.

Zweifellos wird diese neue Entdeckung als Orientierung für die zukünftige Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien dienen.

Quellen:

[1]https://sionpower.com/2014/sion-powers-lithium-sulfur-batteries-power-high-altitude-pseudo-satellite-flight/

Autor: Hanmu Diaomeng, ein populärwissenschaftlicher Autor und Gewinner des „National Excellent Popular Science Work Award“ des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie

Gutachter : Zhang Haijun, Professor der School of Safety Science and Engineering, Civil Aviation University of China, stellvertretender Generalsekretär der Tianjin Emergency Management Society, Postdoktorand der Abteilung für Chemie, Universität von Puerto Rico

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: China Science and Technology Press Co., Ltd., China Science and Technology Publishing House (Beijing) Digital Media Co., Ltd.