Geringe Materialkosten und eine hohe Energiedichte machen die Lithium-Schwefel-Technologie zu einer attraktive Energiespeicherlösung, die künftig unter anderem der Elektromobilität helfen könnte. Zur Erforschung der Technologie hat die Fraunhofer-Gesellschaft deshalb das Verbundprojekt Liscell ins Leben gerufen, das im Mai dieses Jahres abgeschlossen wurde.
Energiedichten bis 500 Wh/kg sind möglich
Der Bedarf an neuen Speichern mit höherer Energiedichte und geringen Kosten ist groß und könnte mit mit neuartigen Lithium-Schwefel-Batterien gedeckt werden. Bei diesen Batterien seien zukünftig Energiedichten von bis zu 500 Wh/kg zu erwarten. Gleichzeitig wird dabei 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 sowie das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT beschäftigten sich neben der Materialentwicklung auch mit skalierbaren Herstellungsverfahren für Anoden und Kathoden als Rollenware und dem Aufbau von Batteriemodulen.
Nachholbedarf bei Zyklenstabilität
Ziel ist es, die Lithium-Schwefel-Technologie für die Elektromobilität weiter zu erschließen. 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.
Die Wissenschaftler entwickelten deshalb ein Zellkonzept auf Basis von Silizium-Legierungs-Anoden zur Substitution des metallischen Lithiums. 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. So lassen sich mit dem Trockenfilmverfahren des Fraunhofer IWS die pulverförmigen Aktivmaterialien ohne Einsatz von Lösungsmitteln in hochkapazitive Elektroden verarbeiten.
Hohe Toleranz gegenüber Überladung
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 konnte ein thermisches Durchgehen der Zellen selbst oberhalb 300 °C vermieden werden.
Eine präzise Kenntnis von Lade- und Alterungszustand bildet die Voraussetzung für den zuverlässigen Batteriebetrieb. Die konventionelle Ladezustandsbestimmung versagt jedoch bei dieser neuen Zelltechnologie. Es müssen deshalb daten- und modellbasierten Bestimmungsmethoden für Ladung und Alterung kombiniert werden.
Effiziente Fertigung mit Vakuum-Beschichtungstechnologie
Schließlich galt es, geeignete kostengünstige und effiziente Fertigungsverfahren zu erproben. Mit einer neuen Vakuum-Beschichtungstechnologie konnten Silizium-Schichten mit einer speziellen Mikrostruktur im Rolle-zu-Rolle-Verfahren beidseitig auf dünnen Stromkollektorfolien aus Kupfer abgeschieden werden.
Die Schichten sind sowohl für Li-S-Zellen als auch für Li-Ionen-Zellen geeignetes Anodenmaterial mit haben das Potenzial, die Volumenenergiedichte gegenüber herkömmlichen Lösungen noch weiter zu steigern.
Mit den Ergebnissen ist die Fraunhofer-Gesellschaft nun einen großen Schritt in Richtung des Einsatzes dieser Energiespeicher zur Elektromobilität oder für Wearables gegangen.
