Neue Separatorbeschichtungen und adaptiertes Zelldesign für zyklenstabile Lithium-Schwefel-Zellen

Die Sicherheit von Lithium-Schwefel-(Li-S-)Batterien ist entscheidende Voraussetzung für ihren Markteintritt. Derzeit gibt es zu ihrer Sicherheit noch wenig Erfahrung, es fehlen aber auch grundlegende Erkenntnisse. In der Literatur dargestellte Erkenntnisse zeichnen ein positives Bild der Sicherheit. Li-S-Batteriezellen werden aber nicht als grundsätzlich sicherer eingestuft als Lithium-Ionen-Batteriezellen

Ziel dieses Teilvorhabens ist es, die Risiken von Lithium-Schwefel-Batteriezellen unter Berücksichtigung der Einflüsse beim Transport und im Fahrzeug-Einsatz zu prüfen und einzuschätzen. Bestehende Testverfahren für Lithium-Ionen-Batterien sollen adaptiert und für Li-S-Batterien spezifisch ergänzt bzw. reduziert werden. Die Untersuchungen sollen dazu beitragen, Risiken der Lithium-Schwefel-Zelle mit vertretbarem Aufwand durch zellinterne und externe Schutz-Maßnahmen auf ein gesellschaftlich akzeptables Maß zu begrenzen.

Mit dieser Zielsetzung unterstützt das Teilvorhaben das Gesamtvorhaben SePaLiS und die Bestrebungen der Bundesregierung hinsichtlich des Aufbaus elektrochemischer Kompetenzen in Forschungseinrichtungen und Industrie, der Steigerung der Energiedichte von Batteriesystemen, deren Sicherheit sowie die notwendigen Prozess- und Produktionsparameter zur Herstellung und Validierung.

Analogieschlüsse aus dem Wissenstand zur Verbesserung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Zellen durch geeignetes Zelldesigns scheinen partiell möglich. Eine frühzeitige Berücksichtigung der Belange der Sicherheit beim Zelldesign kann dazu führen, dass die Zelltechnologie an sich (intrinsisch) sicherer ist und dann so entwickelt wird, dass der Aufwand für passive und aktive Schutzmaßnahmen auf Zellebene und im Zellverbund reduziert werden kann. Um dieses zu beleuchten, soll ein konzeptioneller Abgleich übergeordneter Sicherheitsmaßnahmen auf der Ebene des Zellverbundes mit den Sicherheitseigenschaften der Li-S-Zellen erarbeitet werden.

Ein Schwerpunkt der Arbeiten von SGS im Rahmen des Projektes SePaLiS liegt auf der Ableitung der Sicherheitsanforderungen und der Definition möglicher Schutzmaßnamen sowie auf der Festlegung der Testanforderung in einer Testmatrix. Dabei sind laufende Forschungsergebnisse und Normen zu berücksichtigen, aber auch ergänzende Sicherheitsprüfungen durchzuführen. Die Entwicklungsschritte, insbesondere die Separator-Varianten und Gehäuse-Modifikationen werden durch ausgesuchte und mit den Partnern abgestimmte Tests evaluiert. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Durchführung der Li-S-spezifischen Sicherheitstests an den Prototypen, die Auswertung und Dokumentation und die Rückschlüsse auf die Sicherheit im Zellverbund.

Ausgehend von den UN-Transport-Anforderungen für Zellen und Zellverbünde sowie den in anderen Arbeitspaketen festgelegten Anforderungen für den sicheren Einsatz im Fahrzeug wird anhand von in der Literatur verfügbaren Testergebnissen der Sicherheitsstatus einer Li-S-Zelle beschrieben. Dabei werden aus der Literatur bekannte Sicherheitsrisiken der Li-S-Zelle wie Dendriten-Bildung und das Schmelzen des metallischen Lithiums aber auch Sicherheitsvorteile wie die inhärente Überladesicherheit näher betrachtet und berücksichtigt. Es werden Rückschlüsse auf Risiken des Einsatzes von Li-S-Zellen in Fahrzeugen gezogen, auch unter Einbeziehung der in anderen Arbeitspaketen betrachteten Schutzmaßnahmen auf Zellebene. Fragestellungen zum Risiko, die auf der Grundlage der vorliegenden Information nicht beantwortet werden können, fließen in die Arbeitspakete zur Testplanung für die ergänzenden Sicherheitsprüfungen an Zellen ein.

Die Sicherheitseigenschaften der Zelle haben einen erheblichen Einfluss auf die Sicherheit des Modules. Basierend auf der Erfahrung mit Modulen aus Lithium-Ionen-Zellen und dem zuvor festgelegten schematischen Sicherheitskonzept soll hier von BMW und SGS aus den Sicherheitseigenschaften der Li-S-Zellen ein qualitativer Rückschluss auf das mögliche Sicherheitsverhalten von Li-S-Zellverbünden getroffen werden. Insbesondere werden die Themen Überladen und Tiefentladen des Zellverbundes und das Thema thermische Propagation betrachtet.

Das Teilvorhaben kann durch die frühzeitige Berücksichtigung der Sicherheit bei der Zellentwicklung dazu beitragen, dass die Risiken von der Quelle (Zelle) aus beherrscht sind und der Markteintritt nicht durch unnötige Sicherheitsbedenken verzögert wird. Außerdem können Schutzmaßnahmen auf das Notwendige beschränkt werden, was Kostenvorteile auf Systemebene bringen kann.

Die Prüfverfahren, die für den Nachweis der Sicherheit von Lithium-Schwefel-Batterien beim Transport und in der Fahrzeuganwendung entwickelt wurden, sollen in die Standardisierung eingebracht werden. Dabei soll darauf geachtet werden, dass die Umfänge sicherheitstechnische Belange erfüllen, sich aber auch an wirtschaftlichen Belangen orientieren.

SGS selbst kann in der Zusammenarbeit mit den produktschaffenden Partnern ein gemeinsames Verständnis zur Sicherheit der Li-S-Technologie beim Transport und in Straßenfahrzeugen entwickeln. Außerdem können so Prüfmethoden und Testservices frühzeitig entwickelt und mit produktschaffenden Partnern abgestimmt werden. So kann SGS im Bereich Risikobeurteilung und Sicherheitstests an Li-S eine Early-Mover-Position unter den Drittprüfstellen erlangen.

Die Sicherheitsbetrachtungen, die hier hauptsächlich im Automobilbereich durchgeführt werden, können nach Projektabschluss auf stationäre Speicher erweitert werden.

Vergleich von Risiko und Aufwand von Schutzmaßnahmen von Li-S und LIB in mobilen und in stationären Batteriesystemen kann für nachfolgende Produktentwicklungsentscheidungen wichtig sein.

Das Projekt wird aber auch erste Erfahrung zur Methodik bringen, wie Sicherheits- und Prüfanforderungen auf Zellen mit völlig anderen Chemien übertragen werden können.