Stickstoffhaltige Kohlenstoffe für hochkapazitive zyklenstabile Lithium-Schwefel-Kathoden

Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch gute gravimetrische Energiedichten sowie relativ günstige Fertigungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien aus. Gerade der Vorteil des geringeren Gewichts fällt bei Anwendungen der Elektromobilität ins Gewicht, speziell im Hinblick auf den Bereich der elektrobetriebenen Luftfahrzeuge.

Prototypen dieser Batterien erreichen Energiedichten von 350 Wh/kg, degradieren jedoch während der ersten ca. 50 Lade-/Entladezyklen so stark, dass sie in der Elektromobilität noch nicht eingesetzt werden können. Die Hauptursache für die fehlende Langzeitstabilität ist die Bildung von Polysulfiden, die sich aus der leitfähigen Kohlenstoffmatrix herauslösen und zur Lithiumanode migrieren, an der sich irreversibel isolierendes Lithiumsulfid abscheidet.

Übergeordnetes Ziel dieses Vorhabens ist die Minimierung der Diffusion der gebildeten Polysulfid-Spezies zur Anode durch die Entwicklung maßgeschneiderter Kathodenmaterialien auf Basis stickstoffhaltiger, poröser Polymere. Im Rahmen dieses Teilprojektes werden stickstoffhaltige, kohlenstoffbasierte Netzwerke als Kathodenmaterialien entwickelt, die in der Lage sind, Schwefel anzubinden und damit den parasitären Polysulfid-Shuttle zu unterbinden. Zum anderen beschäftigt sich das Teilprojekt mit der Frage, in welcher Form der Schwefel mikroskopisch angebunden wird und wie die Anbindung von Schwefel gezielt gesteuert und optimiert werden kann.

Im Zentrum dieses Teilvorhabens steht die Synthese stickstoffhaltiger, poröser Polymere und deren Optimierung als Kathodenmaterialien in Lithium-Schwefel-Batterien. Zu den angestrebten Materialien gehören drei eng verwandte Materialklassen: kovalente, organische Netzwerke (Covalent Organic Frameworks, COF), kovalente Triazin-Netzwerke (Covalent Triazine Frameworks, CTF) und amorphe, poröse, organische Polymere (POP). Ziel ist die Optimierung der Schwefeladsorption und damit -retention in der Kathodenmatrix durch Kontrolle des Stickstoffgehaltes, Art der Stickstoff-Funktionalität, Polarität und Porosität sowie Kristallinität und Leitfähigkeit der Polymere. Dadurch sollen mechanistische Einblicke in die Schwefeladsorption auf molekularer Ebene gewonnen und für die rationale Synthese verbesserter Lithium-Schwefel-Kathodenmaterialien mit hoher Zyklenstabilität genutzt werden.

Dieses Teilprojekt vermittelt grundlegende Einblicke in die Batteriefunktion sowie Degradationsmechanismen auf atomarer Ebene und erschließt neue Materialhorizonte für ein rationales Batteriedesign. Dabei dienen stickstoffhaltige, poröse Polymere zum einen als präzise einstellbare Modellsysteme, zeigen darüber hinaus aber aufgrund ihrer z. T. guten Verfügbarkeit und niedrigen Preise auch Potenzial als neuartige Kathodenmaterialien für kommerzielle Anwendungen.

Perspektivisch können damit zentrale Fragestellungen der Prozesstechnologie von Lithium-Schwefel-Zellen adressiert werden, insbesondere die Optimierung der Zyklenstabilität und damit die Lebensdauer der Zellen sowie die Verbesserung der Energiedichte und der Zellsicherheit.

Durch seinen Materialfokus trägt das Teilprojekt damit direkt zur Entwicklung leistungsfähigerer Batteriesysteme bei und zielt darauf ab, Lithium-Schwefel-Batterien für mobile Anwendungen wettbewerbsfähig zu machen.