Entwicklung und Herstellung von wieder aufladbaren Magnesium-Schwefel-Batterien

Das wissenschaftliche und technische Arbeitsziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung und Charakterisierung von neuen Kathoden für den Einsatz in Magnesium-Schwefel-(MgS-)Batterien, von der Anwendung in Laborzellen bis hin zu VDA-Pouchzellengröße – begleitet von theoretischen Modellierungs- und Simulationsaktivitäten. Ein besonderes Augenmerk soll auf die Erhöhung der Speicherkapazität und Zyklenstabilität gelegt werden.

Ziel der experimentellen Arbeiten ist die Entwicklung einer für die Magnesium-Schwefel-Batterie geeignete Kathode. Ein generelles Problem der Schwefel-Kathoden entsteht durch die Löslichkeit der beim Zyklieren als Zwischenprodukt vorkommenden Polysulfide im Elektrolyten. Die Diffusion der Polysulfide von der Kathode zur Anode führt zu einem Kapazitätsverlust in der Zelle, da das diffundierte Polysulfid nicht mehr als Aktivmaterial in der Kathode zur Verfügung steht. Weiterhin bilden die Endprodukte des Entlade- und Ladeprozesses isolierende Schichten, die zur Degradation der Batterie führen. Als Aktivmaterial wird Schwefel verwendet, die zweite Komponente ist Kohlenstoff, der in verschiedenen Konfigurationen zum Einsatz kommen kann. Die Optimierung der Schwefelkathoden hängt von der Art und Weise ab, wie Schwefel und Kohlenstoff miteinander zu einer Kompositelektrode kombiniert werden.

Ziel der theoretischen Arbeiten ist die Entwicklung und Implementierung von detaillierten physikalischen Transport- und Reaktionsmodellen. Basierend auf thermodynamischen Grundlagen soll zunächst ein Transportmodell für Magnesium-Elektrolyte entwickelt werden. Dieses unterscheidet sich von den bisher entwickelten Modellen für Lithium-Schwefel-Batterien, da Magnesium zweifach positiv geladen ist. Die Transportvorgänge sind eng gekoppelt mit den Reaktionen, die in der Batterie ablaufen. Daher ist ein weiteres Ziel des Teilvorhabens eine detaillierte Analyse und Beschreibung des Reaktionsmodells. Dieses soll sowohl die Reaktionen des Schwefels an der Kathode als auch eine Beschreibung der Magnesium-Anode beinhalten. Die entwickelten Modelle können in einem verständnisbasierten Ansatz dazu verwendet werden, die Elektroden- und Zellentwicklung in allen Stadien des Projektes zu unterstützen und weiter voranzutreiben. Die Arbeiten erfolgen in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Gruppen. Dies garantiert den optimalen Einsatz der vorhandenen Ressourcen.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte in diesem Teilprojekt sind die Synthese, Charakterisierung in Laborzellen, Modellierung von Kathoden für die Magnesium-Schwefel-Batterie und Charakterisierung in Pouchzellen im VDA-Format.

Ein generelles Problem der Schwefel-Kathoden entsteht durch die Löslichkeit der Polysulfide im Elektrolyten, die beim Zyklieren als Zwischenprodukt vorkommenden. Die Diffusion der Polysulfide von der Kathode zur Anode führt zu einem Kapazitätsverlust in der Zelle, da das diffundierte Polysulfid nicht mehr als Aktivmaterial in der Kathode zur Verfügung steht. Weiterhin bilden die Endprodukte des Entlade- und Ladeprozesses isolierende Schichten, die zur Degradation der Batterie führen.

Zur Verbesserung der Polysulfidretention und zur Erhöhung der Zyklenstabilität werden in diesem Teilprojekt hauptsächlich folgende Ansätze verfolgt:

• Additive für die Kathode: Hydrophile, anorganische Additive, wie Metalloxide, können die Polysulfide adsorbieren und als Polysulfid-Reservoir für das Schwefel-Kohlenstoff-Komposit dienen,

• Schutzschichten/Zwischenschichten: Einbringung einer Schicht zwischen Schwefel-Kathode und Separator, die als Diffusionssperrschicht für die Polysulfide zur Anode dient. Diese Schicht soll selektiv leitfähig für Magnesium-Ionen sein und die Gesamtenergiedichte nicht wesentlich verschlechtern.

• Bindemittel (BM): Austausch von konventionellem Polyvinylidenfluorid (PVDF) durch alternative Bindemittel, beispielsweise ionenleitfähige Polymere wie Nafion oder sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer. Elektrisch leitende BM können zusätzlich die Leitfähigkeit der Elektroden verbessern. Polyanilin (PANI) ist ein leitfähiges Polymer, das bei der Herstellung von S-PANI-Kompositen verwendet werden kann. PANI kann entweder als leitfähige Beschichtung für die Schwefelpartikel oder als leitfähige Matrix verwendet werden.

Die mit unterschiedlichen Additiven und nach verschiedenen Methoden hergestellte Kathoden werden in Halbzellen untersucht und die meistversprechenden an die Projektpartner zur Hochskalierung der Produktion weitergegeben.

Die experimentellen Arbeiten werden durch Simulations- und Modellierungsaktivitäten begleitet. Ziel der Modellierung und Simulation ist es, nach Klärung der Reaktions- und Transportmechanismen in den Elektroden und dem Elektrolyt durch Zellsimulationen das Design einer effizienten Mg-S-Batterie zu unterstützen. Basierend auf den umfangreichen Vorarbeiten im Bereich der Modellierung von Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien sollen detaillierte Modelle von Magnesium-Schwefel-Batterien entwickelt werden, welche es erlauben, experimentelle Beobachtungen zu interpretieren und verschiedenen Prozessen in der Batterie zuzuweisen. Dieser Erkenntnisgewinn ist ein wichtiges Element des nachfolgenden Upscaling-Schrittes und verbindet damit die Arbeiten im Labor mit der Zellfertigung im industriellen Maßstab.

Insbesondere wird hier kurzfristig die Basis zur wissensbasierten Optimierung von Zusammensetzung und Struktur der Elektroden gelegt, die schwerpunktmäßig durch nationale und internationale Schutzrechte geschützt werden sollen. So werden Schlüsselparameter identifiziert, die im Herstellungsprozess für eine erhöhte Leistung, einen besseren Wirkungsgrad und Langlebigkeit verantwortlich sind. Darüber hinaus werden mittelfristig die Projektergebnisse in ein Gesamtkonzept einer Magnesium-Schwefel-Batterie überführt und deren Potenzial für die Elektromobilität und weitere Anwendungen quantifiziert.

Die beteiligten Projektpartner verfügen über das nötige Know-how und die Herstellanlagen, um im Anschluss des Projekts vielversprechende Ansätze zu Funktionsmustern zu entwickeln und auch die Herstellung und somit den gesamten vertikalen Herstellungsprozess am Standort Deutschland durchführen zu können. Es sind auf jeden Fall Erkenntnisse zu erwarten, die nicht nur für Batterien für den mobilen Bereich, sondern auch für andere Anwendungen aus dem Bereich der regenerativen Energiespeicherung genutzt werden können.