Leichte und sichere Batterien auf Basis der Lithium-Schwefel-Technologie
Die Anforderungen an zukünftige Energiespeicher für Elektrofahrzeuge sind extrem anspruchsvoll und vielfältig. Hohe Reichweite, Schnellladefähigkeit, Lebensdauer, Kosten und vor allem Sicherheit sind wesentliche Kriterien, die bei der Entwicklung von Batterien der nächsten Generation adressiert werden müssen.
Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien aus, was sie bei gleichem Energieinhalt bis zu 40 % leichter macht. Ein Preisvorteil durch den Einsatz günstigerer Kathodenmaterialien ist möglich, kann jedoch erst im Produktionsmaßstab nachgewiesen werden. Der technologische Reifegrad ist noch weit von dem der konventionellen Li-Ionen-Batterie entfernt, da trotz kontinuierlicher Forschung und Entwicklung, Lösungen für existierende Herausforderungen ausstehen.
So ist der größte Nachteil aus jetziger Sicht die geringe Zyklenstabilität der Lithium-Schwefel-Zellen. Zyklus bedeutet hier das Auf- und Entladen der Batteriezellen; dabei wird die Zelle besonders beansprucht. Maßnahmen, die eine stabile Nutzung der Zellen über mehrere hundert Zyklen erlauben würden, gehen bisher auf Kosten der Energiedichte und heben den wesentlichen Vorteil der Technologie wieder auf.
Ein Konsortium aus zwei Fraunhofer Instituten und vier Industrieunternehmen entlang der Wertschöpfungskette hat es sich im BMBF-geförderten Projekt SepaLiS zur Aufgabe gemacht, genau hier einen entscheidenden Beitrag zu leisten. Mit Materialinnovationen im Bereich der Separatormembran, der Kathoden und Elektrolyte, sowie mit einem neuen Gehäusekonzept soll die Zyklenstabilität der Zellen entscheidend verbessert werden. Neue Elektrolyten werden elektrochemisch auf ihre Performance und analytisch durch Einsatz von online-Massenspektrometrie und Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) auf ihre Stabilität untersucht.
Die Entwicklung und Evaluierung aller Komponenten erfolgt an Prototypzellen, die eine anwendungsnahe Bewertung von Performance und Sicherheit erlauben. In der ersten Projektphase wurden die maßgeblichen Komponenten aufeinander abgestimmt, in Lithium-Schwefel-Zellen mit 3 Amperestunden Kapazität getestet und evaluiert. Erste Untersuchungen zeigten eine verbesserte Lebensdauer bei gleichzeitig verbesserter Sicherheit.
Ein neues Membrankonzept, trennt die Kathodenbestandteile wirkungsvoll von der Anode und trägt somit entscheidend zur Stabilität und Sicherheit der Zellen bei. Für die Fertigung der Zellkomponenten wurden zudem Prozesse entwickelt, die eine effiziente Bereitstellung von Separator und Elektroden als Rollenware erlauben und die Produktion erheblich beschleunigen.
In der zweiten Projektphase werden die aussichtsreichsten Lösungen zusammengeführt und in Prototypzellen mit 25 Amperestunden Kapazität vereint. Integriert in ein innovatives Gehäusekonzept, werden diese Zellen abschließend unter realistischen Bedingungen auf anwendungsrelevante Eigenschaften geprüft.
Übergeordnetes Ziel ist es, mit einem Sprung in der Energiedichte und Zyklenstabilität einen Meilenstein für die Weiterentwicklung und schließlich der Kommerzialisierung der Lithium-Schwefel-Technologie zu schaffen.