Lithium-Ionen-Akku mit hoher elektrochemischer Leistung und Sicherheit

Lithium-Schwefel-(Li-S-)Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus. Damit ist diese Zellchemie äußerst attraktiv für zukünftige Speicherlösungen, insbesondere zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Die größte Herausforderung stellt die geringe Lebensdauer der Zellen dar. Aktuelle Li-S-Prototyp-Zellen erreichen eine Energiedichte von 350 Wh/kg, degradieren aber innerhalb der ersten 50 Lade-/Entladezyklen deutlich und sind daher bisher untauglich für den Einsatz in der Elektromobilität.

Ziel dieses Teilvorhabens ist die Entwicklung von maßgeschneiderten Elektrolyten und die Evaluierung von oberflächen-funktionalisierten Lithium-Metall-Anoden als Schlüsselkomponenten für stabile Lithium-Schwefel-Zellen. Durch die neuen Komponenten soll eine Steigerung der Zyklenlebensdauer bei gleichzeitig geringem Elektrolytanteil erreicht werden.

Konkrete Ziele sind dabei:

• Nachweis verbesserter Zell-Eigenschaften durch den Einsatz neuer Elektrolyte und Anoden

• 5-Ah-Pouchzellen mit spezifischer Kapazität von >1.000 mAh/g (bezogen auf S) und 80 Prozent Kapazitätsretention nach 200 Zyklen mit <4 µl/mg-S Elektrolytvolumen

• Ersatz von Lithiumnitrat als Additiv durch neue Elektrolyte und/oder geeignete Anoden-Schutzschichten

Dieses Teilvorhaben ist ein Beitrag zu dem Verbundvorhaben LiBest. Voraussetzung für die Entwicklung der Komponenten und Zellen ist ein verbessertes Grundlagenverständnis, welches durch strukturelle und elektrochemische Untersuchungen insbesondere in Kooperation mit den Projektpartnern erreicht werden soll. Durch die Möglichkeit neue Materialansätze am Fraunhofer IWS in Multilagen-Pouchzellen zu testen, werden die innovativen Konzepte anwendungsnah bewertet.

Die Arbeitsschwerpunkte ergeben sich durch die Unter-Arbeitspakete:

• Entwicklung maßgeschneiderter Elektrolytzusammensetzungen

• Prozessierung von Schwefel-Kathoden und Assemblierung von Li-S-Pouchzellen

• Evaluierung neuer Anodenmaterialien und Elektrolyte in Li-S-Zellen

Durch eine Erhöhung der Zyklenstabilität wird für die Li-S-Technologie ein hohes Marktpotenzial für mobile Anwendungen (u. a. elektrische Fahrzeuge und Flugzeuge) erwartet.

Durch Patente wird eine Basis für die spätere Verwertung des Know-hows geschaffen. Das Fraunhofer IWS kann nach erfolgreichem Projektabschluss Prototypzellen für weiterführende Anwendungsuntersuchungen und Feldtests zur Verfügung stellen. Gelingt es, die Ziel-Energiedichte auf Zellebene zu erreichen, wäre das ein großer Sprung gegenüber bestehender Lithium-Ionen-Technologie (400 Wh/kg vs. 250 Wh/kg) und würde einem echten Durchbruch gleichkommen.

Die gravimetrische Energiedichte von 400 Wh/kg ist mit der Lithium-Ionen-Technologie nicht erreichbar. Darüber hinaus ist mit geringeren Materialkosten zu rechnen, da die teuerste Komponente (das Kathodenmaterial) durch Schwefel ersetzt wird.

Mittelfristiges Ziel ist es, die Li-S-Technologie zu etablieren und Li-S-Zellen zu kommerzialisieren. Für die Umsetzung einer deutschen Zellfertigung sind verschiedene Modelle denkbar. Erste Anwendermärkte werden im Bereich der unbemannten Fluggeräte (UAV) erwartet. Für sichere, stabile Li-S-Zellen mit hoher Energiedichte kann langfristig mit einem breiten Einsatz als Energiespeicher in Konkurrenz zur Lithium-Ionen-Technologie in mobilen und stationären Anwendungen gerechnet werden.