Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung innovativer Li2S-Kompositmaterialien zur Steigerung der Hochstromfähigkeit und Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien (ILISKO)

 

Die Bedeutung elektrochemischer Energiespeicher für mobile und stationäre Anwendungen (Elektromobilität, Speicherung regenerativ gewonnener Energie) steigt stetig. Eine vielversprechende Alternative zu den bisher häufig genutzten Lithium-Ionen-Batterien (LIB) sind Lithium-Schwefel-Batterien (LSB). LSB weisen gegenüber LIB eine dreifach höhere Energiedichte auf und in der Kathode wird auf toxische und teure Metalloxide verzichtet. Die begrenzte elektrische Leitfähigkeit des Kathodenmaterials und die darauf zurückzuführende geringe Hochstromfähigkeit sowie extreme Volumenänderungen des Materials beim Laden und Entladen und die dadurch verursachte starke Alterung sind wesentliche Faktoren, die eine breite Marktdurchdringung der LSB bislang verhindern.

Zur deutlichen Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften von LSB sollen in diesem Vorhaben Li2S-Komposite mit Graphit und Polymerummantelung entwickelt werden. Da kommerziell verfügbares Li2S keine optimalen Eigenschaften aufweist, ist die Synthese von Li2S mit gezielt eingestellter Partikelgrößenverteilung Teil des Vorhabens.

Die Umhüllung der Li2S-Partikel mit Kohlenstoff erfolgt über zwei Routen: einerseits soll Li2S per Magnetronsputtern mit einer Nanographithülle versehen werden. Alternativ erfolgt eine kovalente Anbindung von im Plasma funktionalisierten CNT an das Li2S.

Die entwickelten Materialien werden charakterisiert und zum Aufbau von Kathoden für LSB verwendet. Über elektrochemische Charakterisierung erfolgt eine Bewertung der Materialien hinsichtlich der Ziele des Vorhabens. Zur Demonstration der Ergebnisse ist der Aufbau einer Zelle mit Li2S-Komposit-Kathoden mit signifikant verbesserter Hochstromfähigkeit und Lebensdauer geplant.

Von den vorwettbewerblichen Forschungsergebnissen können KMU in vielfältigen Bereichen von der Herstellung des Aktivmaterials, über dessen Modifizierung und Einbringung in die Kathode bis hin zur Anwendung der Zellen profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projekts war es die Hochstromfähigkeit und Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien zu erhöhen, indem das Aktivmaterial durch unterschiedliche Synthesen und Beschichtungsverfahren modifiziert wird.

Die durchgeführten Arbeiten bezogen sich dabei auf die Etablierung einer robusten Synthesemethode für Li2S, die Kohlenstoffmodifizierung und Plasma-Polymerbeschichtung des Li2S.

Mittels eines im Projekt beschafften Rohrofens wurde eine robuste nasschemische Synthese entwickelt, mit der Li2S-Kohlenstoff-Komposite hergestellt werden können. Für die anschließende Beschichtung des Materials im Argon-Plasma wurde ein entsprechender, inerter Reaktor entwickelt, sodass die Arbeiten komplett unter Ausschluss der Umgebungsatmosphäre durchgeführt werden konnten. Ein geneigter Drehteller ermöglicht die gleichmäßige Beschichtung der Partikel. Für die anschließende elektrochemische Untersuchung des Materials wurden geeignete Pastenformulierungen entwickelt, die eine gute Auftragbarkeit der Paste und eine homogene Schichtbildung gewährleisten. Mit den modifizierten Materialien konnte die Hochstromfähigkeit des Aktivmaterials deutlich verbessert werden. So erreichten beschichtete Proben bei 2 C noch 80 % der Kapazität, wobei die Referenzmaterialien lediglich 73 % erreichten.

Ebenso konnte die Lebensdauer und Stabilität der Batteriezellen deutlich verbessert werden. So erreichten die Zellen mit modifiziertem Aktivmaterial nach 200 Zyklen noch eine Coulomb-Effizienz von bis zu 99 % während das Referenzmaterial auf nur noch 93 % degradiert war. Der Kapazitätserhalt konnte über 200 Zyklen von 90 % auf bis zu 93 % gesteigert werden. Zu beachten ist hier aber, dass aufgrund der deutlich höheren Anfangskapazität (781 mAh/g (modifiziert) gegenüber 592 mAh/g (Referenz)) die erreichte Entladekapazität zu allen Zeiten bei den modifizierten Proben deutlich höher lag, als bei der Referenz.