Die Lithium-Schwefel-Batterie (Li-S) gilt als eine der vielversprechendsten Zellchemien jenseits der etablierten Lithium-Ionen-Technologie. Ihr zentraler Vorteil liegt in der theoretischen gravimetrischen Energiedichte von rund 2.600 Wh/kg – bezogen auf die Aktivmaterialien – und damit deutlich oberhalb des Niveaus heutiger NMC- oder LFP-Systeme. Gleichzeitig ist Schwefel als Kathodenaktivmaterial abundantes, kostengünstiges und vergleichsweise unkritisch zu beschaffendes Rohstoffmaterial. Diese Kombination macht Li-S-Zellen für Anwendungen in der Elektromobilität, der Luft- und Raumfahrt sowie für stationäre Speicher interessant. Allerdings unterscheidet sich die Fertigungstechnik dieser Zellen erheblich von etablierten Prozessen der Lithium-Ionen-Produktion – mit unmittelbaren Konsequenzen für Anlagentechnik, Prozesskontrolle und Qualitätssicherung.
Im Gegensatz zu Interkalationselektroden, bei denen Lithium-Ionen reversibel in eine Wirtsstruktur ein- und ausgelagert werden, basiert das Li-S-System auf Konversionsreaktionen. Die Kathode besteht aus elementarem Schwefel (S₈), die Anode typischerweise aus metallischem Lithium. Während des Entladens reagiert Lithium an der Anode oxidativ zu Li⁺, während an der Kathode Schwefel schrittweise zu Lithiumsulfid (Li₂S) reduziert wird. Diese Reaktionskette verläuft über mehrere Zwischenstufen in Form von Polysulfiden (Li₂Sₙ, n = 2–8), die im Elektrolyt löslich sind und den Betrieb maßgeblich beeinflussen.
Elektrochemische Reaktionsmechanismen und der Polysulfid-Shuttle
Der sogenannte Polysulfid-Shuttle-Mechanismus ist das zentrale elektrochemische Problem der Li-S-Zelle. Lösliche Polysulfide diffundieren durch den Separator von der Kathode zur Lithiumanode, wo sie chemisch zu niederen Polysulfiden oder zu Li₂S/Li₂S₂ reduziert werden. Diese Verbindungen können dann zurück zur Kathode diffundieren und dort erneut oxidiert werden, ohne dass dabei nutzbarer Strom erzeugt wird. Der Shuttle-Effekt führt zu Kapazitätsverlust, Selbstentladung und irreversiblen Abscheidungen auf der Lithiumanode, die die Zyklenlebensdauer drastisch verkürzen.
Zusätzlich zur Shuttle-Problematik entstehen bei der Lithiumanode bekannte Degradationsphänomene: die Bildung von Dendriten sowie einer inhomogenen, ionisch schlecht leitfähigen Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI). Da metallisches Lithium – anders als Graphit-Anoden – keine dimensionsstabile Wirtsstruktur besitzt, kommt es zu erheblichen Volumenänderungen beim Zyklieren, was die mechanische Integrität der Zelle belastet und besondere Anforderungen an das Zelldesign und den Fertigungsprozess stellt.
Schwefelkathode: Materialaufbereitung und Elektrodenfertigung
Die Herstellung der Schwefelkathode unterscheidet sich grundlegend vom Beschichtungsprozess einer NMC-Kathode. Elementarer Schwefel besitzt eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit (10⁻³⁰ S/cm), weshalb er zwingend mit leitfähigen Kohlenstoffträgern – üblicherweise Ruß, Carbon Nanotubes oder mesoporöse Carbons – kombiniert werden muss. Ein verbreiteter Ansatz ist die Infiltration von Schwefelschmelze in die Porenstruktur eines Kohlenstoffgerüsts bei Temperaturen zwischen 150 und 160 °C, da Schwefel in diesem Bereich seine niedrigste Viskosität aufweist. Alternativ wird Schwefel durch Sublimation oder nasschemische Fällung in die Kohlenstoffmatrix eingebracht.
