Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung innovativer, beschichteter Separatoren zur signifikanten Steigerung der Zyklenfestigkeit von Lithium-Schwefel-Batterien (EiS-LiS)

 

Im Zuge der Energiewende sind insbesondere Energiespeicher im Fokus des öffentlichen und wissenschaftlichen Interesses. Eine Alternative zu den bislang weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien stellen Lithium-Schwefel-Batterien dar, die deutlich höhere theoretische Energiedichten aufweisen und zudem umweltfreundlichere und kostengünstigere Aktivmaterialien beinhalten. Die kommerzielle Nutzung scheitert bislang an der geringen Zyklenstabilität, die vor allem durch den Polysulfid-Shuttle-Mechanismus verursacht wird. Hierbei migrieren die für die Zellreaktion notwendigen Polysulfide zur Anode (Li) und passivieren diese.

Ziel dieses Vorhabens ist es daher, den Shuttle-Mechanismus zu unterdrücken, indem die Mobilität der Polysulfide mit Hilfe von Übergangsmetalloxiden eingeschränkt wird. Im Rahmen des Vorhabens wird die Plasmabeschichtung des Separatormaterials mit Übergangsmetalloxiden entwickelt. Dabei fließen Erkenntnisse aus dem Zusammenhang zwischen Morphologie des Separators und Transporteigenschaften der Polysulfide in die Beschichtungsentwicklung mit ein. Zudem wird eine Rezeptur zur Herstellung von Li2S-Kathoden mit Übergangsmetalloxiden entwickelt. Außerdem soll eine Methode zur in-situ Qualifizierung und Quantifizierung der Polysulfide in einer elektrochemischen Testzelle etabliert und genutzt werden. Ziel ist der Aufbau einer Demonstratorzelle mit Li2S-Kathode und modifiziertem Separator mit einem Kapazitätserhalt von 80 % nach 1000 Zyklen. KMU, die an verschiedenen Stellen der Prozesskette zur Zellherstellung angesiedelt sind, profitieren von den Erkenntnissen aus diesem Projekt. Dies beinhaltet sowohl die Herstellung der Einzelkomponenten (Separatorbeschichtung, Kathodenherstellung), als auch die fertige Zelle als neuartiges Konzept für Lithium-Schwefel-Batterien. Darüber hinaus ist auch das tiefere Verständnis über die Beweglichkeit und die Reaktionen der Polysulfide von entscheidender Bedeutung für die Etablierung der Lithium-Schwefel-Batterien.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts EiS-LiS wurden Separatorbeschichtungen und Additive für die Kathoden aus maßgeschneiderten Übergangsmetalloxiden bzw. -sulfiden entwickelt, mit dem Ziel den Polysulfid-Shuttle zu unterdrücken und damit die Zyklenstabilität der Lithium-Schwefel-Batterien zu erhöhen. Die Entwicklung der Separatorbeschichtungen sowie die Untersuchung grundlegender Eigenschaften der beschichteten Separatoren wie Morphologie, chemischer Zusammensetzung, Li-lonenleitfähigkeit und Polysulfiddiffusion fanden am fem statt. Voll- und Halbzellen wurden unter Einsatz beschichteter Separatoren und/oder mittels Oxiden modifizierter Kathoden am ZBT aufgebaut und elektrochemisch untersucht. Insgesamt konnten Materialien identifiziert werden, die den Polysulfid-Shuttle unterdrücken und damit zur Verlängerung der Lebensdauer von Li-S-Zellen beitragen. Großtechnisch verfügbare Materialien, Fe2O3 und Cr2O3, erwiesen sich als vielversprechende Polysulfidanker. Für die Separatorbeschichtungen konnte ein positiver Effekt auf die Zellstabilität mit Molybdänoxysulfid, Manganoxid, und Titan-Niob-Mischoxid gezeigt werden. Mit diesen Materialien konnte eine effektive Reduzierung des Shuttle-Mechanismus erreicht werden, was einen großen Schritt in Richtung einer Industriellen Verwendbarkeit dieser Zellchemie bedeutet. Es wurden zudem zur Herstellung der Elektroden und Separatorbeschichtungen skalierbare Verfahren verwendet, sodass ein Transfer in die Wirtschaft ermöglicht wird. Darüber hinaus konnte mit PVDF-beschichteten Kupferfolien für Anoden-freie Vollzellen ein Zelldesign gefunden werden, auf dem eine Vollzellenentwicklung für den Markt begonnen werden kann. Die Anwendungsmöglichkeiten der im Rahmen des Projekts gewonnenen Erkenntnisse liegen in den Bereichen der Energietechnik, Erneuerbare Energien, Werkstoffe und Materialien sowie Chemie und Chemische Verfahren. Die zugehörigen Wirtschaftszweige sind Hersteller von elektrischen Ausrüstungen, Energieversorger sowie Fahrzeugbauer.