Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien auf Basis polymerummantelter Li2S-Kathodenmaterialien und innovativer Silizium-Anoden

Die Speicherung elektrischer Energie in wieder aufladbaren Batterien gewinnt immer mehr an Bedeutung für stationäre, mobile und tragbare Systeme. Lithium-Ionen-Batterien (LIB) gelten als aktuell beste, jedoch nicht optimale Lösung für viele dieser Anwendungen. Eine mögliche Technologie zur Überwindung technischer Nachteile stellen Lithium-Schwefel-Batterien (LSB) dar. Durch die verwendeten Materialien können im Vergleich zu LIB prinzipiell geringere Kosten, höhere Speicherdichten und größere Reichweiten erzielt werden. Die Herausforderungen liegen in der auftretenden Degradation der bislang entwickelten LSB sowie in der unzureichend genutzten theoretisch möglichen Speicherkapazität. In diesem Vorhaben werden Kathodenmaterialien auf der Basis von Lithiumsulfid, Silizium-basierte Anoden mit zusätzlicher Lithiumquelle sowie daraus aufgebaute Elektroden und Vollzellen entwickelt.

Gesamtziele sind:

- Verwendung von Lithiumsulfid auf der Kathode als Aktivmaterial und Lithiumquelle,

- Vereinfachung der Prozessierung des wassersensitiven Lithiumsulfid durch Ummantelung mit polymerer Schutz- und Leitfähigkeitsschicht (elektrisch / ionisch),

- Verzicht auf den Einsatz metallischen Lithiums an der Anode zur Erhöhung der Sicherheit der Zelle,

- Optimierung einer Silizium-basierten Anode,

- Demonstration einer Testzelle mit einer Anfangskapazität von mindestens 800 mAh/g (bezogen auf Lithiumsulfid),

- Betrieb über 1000 Zyklen.

Nach erfolgreichem Abschluss dieses Vorhabens stehen Materialien, Rezepturen und Konzepte zur Verfügung, die in Folgeprojekten mit Beteiligung der Industrie auf größere Ansätze übertragen und verifiziert werden sollen.

Von den Forschungsergebnissen können KMU in den Bereichen speziell behandelte Aktivmaterialien, modifizierte Leitfähigkeitsadditive (Nanomaterialien), Binder, angepasste Beschichtungsverfahren, Separatoren, Elektrolyt, Gehäusematerialien, Batteriemanagementsysteme, Auslegung von Batteriesystemen sowie Maschinen- und Anlagenbau profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projektes war die Verbesserung der Zyklenfestigkeit von Lithium-Schwefel-Batterien durch Kohlenstoff- und polymerummanteltes Li2S als Kathodenmaterial. Durch diese Anpassung des Materials sollte weiterhin eine Elektrodenherstellung ohne Schutzatmosphäre und unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel möglich werden. Zudem sollte die Sicherheit dieses Batteriesystems verbessert werden, durch die Verwendung einer Si/C-Anode anstelle einer Lithiummetall-Anode.

Es konnten auf unterschiedlichen skalierbaren Synthesewegen (Kern-Schale) Li2S/C-Materialien hergestellt werden. Mit diesen waren teilweise gute Kapazitäten und Coulomb-Effizienzen erreichbar. Durch die Einkapselung lies sich jedoch keine Stabilität an Luft oder gegenüber Wasser erreichen. Die Elektrodenherstellung konnte daher ausschließlich in organischen Lösungsmitteln durchgeführt werden.

Es wurden unterschiedliche skalierbare und kostengünstige Dispergiermethoden zur Herstellung der Aktivmaterialpasten evaluiert. Es konnten durch die Verwendung von Additiven über mehrere 100 Zyklen stabile Li2S-Kathoden hergestellt werden.

Durch Elektrolytvariationen sollte ein Lösungsmittelgemisch gefunden werden, das anodenseitig zu einer stabilen SEI führt und somit eine stetige Elektrolytzersetzung verhindert. Die vielversprechenden Elektrolyte waren jedoch nicht mit der Kathode kompatibel. So konnte kein System gefunden werden, in dem eine Si/C-Anode nicht durch im Elektrolyten gelöste Polysulfide geschädigt wurde.

Erste Ansätze für eine Vollzelle konnten durch die Verwendung von Cu-Folien als Anode erhalten werden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass

- skalierbare Methoden zur Li2S-Synthese entwickelt

- die entwickelten Materialien erfolgreich zu Kathoden verbaut

- mit diesen in Halbzellen sehr gute Zyklenstabilitäten erreicht

- und die Elektroden in Vollzellen getestet wurden.