Lithium-Schwefel-Batterien Sichere und effektive Energiespeicher der Zukunft

Lithium-Schwefel-Zell-Elektroden mit Silizium-Legierungs-Anoden.
Lithium-Schwefel-Zell-Elektroden mit Silizium-Legierungs-Anoden.

Im Mai 2017 ist das Verbundprojekt LiScell zu Ende gegangen, bei dem die Lithium-Schwefel-Technologie erforscht wurde. Sie könnte eine Energiespeicherlösung für die Mobilität der Zukunft sein. Auf dem 6. Li-S-Workshop am 6. und 7. November 2017 in Dresden werden die Ergebnisse vorgestellt.

Gewicht und Kosten pro Speicherkapazität begrenzen maßgeblich den Einsatzbereich eines batteriebetriebenen Produktes. Für die Elektromobilität verursacht der Speicher beispielsweise den Großteil der Gesamtkosten des Fahrzeugs bei gleichzeitig eingeschränkter Reichweite. Dementsprechend groß ist der Bedarf an neuen Speichern mit höherer Energiedichte und geringen Kosten.

Lösung hierfür können neuartige Lithium-Schwefel-Batterien sein, bei denen zukünftig Energiedichten von bis zu 500 Wh/kg erwartet werden. Gleichzeitig wird bei dieser Technologie das teure Kathodenmaterial der Li-Ionen-Zellen durch kostengünstigen, ungiftigen und nahezu unbegrenzt verfügbaren Schwefel abgelöst.

An der Weiterentwicklung der Lithium-Schwefel-Batteriezellen auf der Basis neuer Kathoden, Elektrolyten und Anoden wurde im Rahmen des Verbundprojektes LiScell in den letzten drei Jahren geforscht.

Die Fraunhofer-Institute für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP und für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI aus Dresden sowie das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT aus Pfinztal beschäftigten sich neben der Materialentwicklung auch mit skalierbaren Herstellungsverfahren für Anoden und Kathoden als Rollenware und dem Aufbau von Batteriemodulen. Ziel ist es, die Lithium-Schwefel-Technologie für die Elektromobilität weiter zu erschließen.

Die Technologie zeichnet sich durch geringe Materialkosten und eine hohe Energiedichte aus und könnte so eine attraktive Energiespeicherlösung für zukünftige Mobilität darstellen. Die größte Herausforderung hierbei ist die geringe Zyklenstabilität der Zellen: Li-S-Zellen erreichen zwar bereits heute bis zu 40 Prozent höhere Energiedichten (bis 400 Wh/kg) als die besten Li-Ionen-Zellen, können allerdings nur 50- bis 100-mal wiederaufgeladen und genutzt werden. Grund dafür sind Zersetzungsreaktionen des Elektrolyten an der Anoden-Oberfläche, die aus metallischem Lithium besteht. Auf diese Herausforderung fokussierten sich die Wissenschaftler und entwickelten ein Zellkonzept auf Basis von Silizium-Legierungs-Anoden zur Substitution des metallischen Lithiums.

Welche Hindernisse überwunden wurden

Am Fraunhofer IWS konnte dieses neue Anoden- und Zellkonzept in Li-S- und Li-Ionen-Prototypzellen umgesetzt und demonstriert werden. Hier entstanden auch neue Lösungen für die Fertigung der Schwefelkathoden. Dr. Holger Althues, Konsortialführer und Leiter der Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik am Fraunhofer IWS, erläutert: »Mit dem Trockenfilmverfahren des Fraunhofer IWS lassen sich die pulverförmigen Aktivmaterialien ohne Einsatz von Lösungsmitteln in hochkapazitive Elektroden verarbeiten.«

Die Vorteile der Si-Anoden-Technik wurden in Sicherheitstests des Fraunhofer ICT herausgearbeitet: Li-S-Zellen haben einen deutlichen Vorsprung gegenüber herkömmlichen Energiespeichern: Sie besitzen eine hohe Toleranz gegenüber Überladung und thermischer Beanspruchung. Mit der Si-Anode ließ sich ein thermisches Durchgehen der Zellen selbst oberhalb +300 °C vermeiden.

Eine präzise Kenntnis von Lade- und Alterungszustand bildet die Voraussetzung für den zuverlässigen Batteriebetrieb. Die konventionelle Ladezustandsbestimmung versagt jedoch bei dieser neuen Zelltechnologie. »In der geschickten Kombination von daten- und modellbasierten Bestimmungsmethoden für Ladung und Alterung liegt der Schlüssel für die praktische Anwendung« ergänzt Dr. Ulrich Potthoff vom hierfür verantwortlichen Fraunhofer IVI.

Schließlich galt es, geeignete kostengünstige und effiziente Fertigungsverfahren zu erproben. „Mit einer neuen Vakuum-Beschichtungstechnologie konnten Siliziumschichten mit einer speziellen Mikrostruktur im Rolle-zu-Rolle-Verfahren beidseitig auf dünnen Stromkollektorfolien aus Kupfer abgeschieden werden«, fasst Dr. Nicolas Schiller, Bereichsleiter »Flache und Flexible Produkte«, die Ergebnisse des Fraunhofer FEP zusammen. »Die Schichten erwiesen sich sowohl für Li-S-Zellen als auch für Li-Ionen-Zellen als geeignetes Anodenmaterial mit deutlichem Steigerungspotential hinsichtlich der Volumenenergiedichte gegenüber herkömmlichen Lösungen.«

Diese und weitere Ergebnisse zum Thema Energiespeicher werden auf dem 6. Li-S-Workshop vorgestellt.