Lithium-Schwefel-Feststoffbatterien als Zukunftsbatterie

Das vielversprechende Lithium-(Metall-)Schwefel-System (Li-S-System) wird untersucht, um Zellen mit besonders hoher Kapazität und Energiedichte zu erhalten. Dabei sollen die bekannten, spezifischen Probleme wie Shuttle-Mechanismus und Kathodendegradation durch den Einsatz von Festkörperelektrolyten gelöst werden.

Im Rahmen des Teilprojektes soll die Anodenseite herkömmlicher Li-S-Batterien mit Festelektrolyt-Schutzschichten verbessert sowie eine neuartige Li-S-Feststoffbatterie mit zwei angepassten Elektrolyten entwickelt werden, um die positiven Eigenschaften der jeweiligen Elektrolytkomponente voll auszunutzen und Nachteile zu umgehen. Ziel ist dabei, die Energie- und Leistungsdichte, sowie die Zyklenfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen und anderen Alternativen zur Lithium-Ionen-Technologie deutlich zu erhöhen. Dieser neuartige Ansatz der Zwei-Komponenten-Festelektrolyte gewährleistet zusätzlich eine inhärente Sicherheit auf Zellebene.

Schwerpunkt des Teilprojektes ist es, die Anodenhalbzelle mit Lithium-Metall und oxidkeramischen Festkörperelektrolyt zu entwickeln, optimieren und skalieren. In der Anodenhalbzelle wird eine Lithiumionen-leitende Oxid-Keramik eingesetzt, welche im Gegensatz zu Phosphat- und Sulfid-basierten Festelektrolyt-Keramiken chemisch stabil gegenüber Lithium-Metall ist und eine Lithium-Überführungszahl von ungefähr 1 besitzt. Der Kontakt zur metallischen Lithium-Anode sowie der Übergang von der Anoden- zur Kathodenseite (Oxid-Keramik zu flüssigem Elektrolyt bzw. zum sulfidischen Lithiumionen-Leiter) sind dabei von besonderem Interesse und sollen näher untersucht werden.

Für die neuartige Li-S-Festkörperbatterie mit zwei Elektrolyten werden die Vorteile, welche mechanisch weiche Sulfid-basierte Elektrolyten auf der Kathodenseite bieten, mit den Vorteilen der mechanisch steifen und chemisch stabilen Oxid-basierten Elektrolyten auf der Anodenseite gekoppelt und in Vollzellen evaluiert. Durch eine Skalierung der neu entwickelten Zellen soll letztlich abgeschätzt werden, ob diese genügend Potenzial besitzen, um eine zukünftige Alternative zur herkömmlichen Lithium-Ionen-Technik darzustellen.

Der neuartige Zwei-Komponenten-Ansatz zielt neben der Steigerung der Energie und Leistungsdichte auch auf den Aufbau weltweit einzigartiger Kompetenz im Bau, Betrieb und Analyse dieser Zellen. Dieses Know-how über Prozess- und Produktionsparameter sowie der erzielten Verbesserung und Abschätzung der zukünftig möglichen Verbesserungspotenziale erlaubt es uns schließlich, diese neue Technologie auf Wettbewerbsfähigkeit im industriellen Maßstab hin zu überprüfen.

Konkret für die Anodenhalbzelle wäre die erfolgreiche Herstellung einer möglichst dünnen, dichten Schicht aus LLZ mit skalierbaren, industrierelevanten Verfahren ein wissenschaftlicher Durchbruch. Alle bisherigen (weltweiten) Versuche konnten dies noch nicht demonstrieren. Diese Weiterentwicklung könnte in enger Kooperation mit Industrieunternehmen durchgeführt werden und würde die Translation der dann realisierten Ergebnisse sicherstellen.