Stickstoffhaltige Kohlenstoffe für hochkapazitive zyklenstabile Lithium-Schwefel-Kathoden

Lithium-Schwefel-(Li-S-)Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus, weisen jedoch bisher nur eine geringe Lebensdauer der Zellen auf. 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. Die Hauptursache für die rasche Degradation ist die Bildung von Polysulfiden und die damit verbundene Diffusion aus der leitfähigen Kohlenstoffmatrix zur Lithium-Anode, mit welcher ungewünschte Nebenprodukte entstehen.

Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele und angestrebte Innovationen sind für das Fraunhofer IWS als Projektpartner zusammenfassend:

Ziel 1: Anpassung der Elektrodenherstellung an die einzelnen Materialklassen,

Ziel 2: Minimierung des Elektrolyt-Schwefelmenge-Verhältnisses.

Ziel dieses Vorhabens für das Fraunhofer IWS ist es, diese Diffusion elektrochemisch nachweislich zu unterdrücken bzw. deutlich zu minimieren, indem an Stelle von reinen Kohlenstoffmaterialien stickstoffdotierte Kohlenstoffe eingesetzt werden. Diese besitzen eine besondere Affinität zu Polysulfiden und erste Arbeiten dazu zeigen, dass sie deutlich höhere Polysulfid-Mengen als undotierte Kohlenstoffe adsorbieren können.

Wesentliches Ziel für das Fraunhofer IWS ist es, poröse Polymere, vertikal ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren und stickstoffdotierte hochporöse Kohlenstoffe mit Schwefel zu infiltrieren und in einem trockenen Verfahren zu freistehenden Filmen bzw. Kathoden zu verpressen. Diese werden einerseits mit Hilfe von galvanostatischem Laden/Entladen hinsichtlich ihrer Zyklenstabilität getestet. Andererseits wird durch Zyklovoltametrie bzw. Impedanzmessungen der Lade-/Entladevorgang mechanistisch untersucht. Aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen werden sowohl die Elektroden als auch die stickstoffhaltige poröse Matrix iterativ an die Ansprüche in der Zelle angepasst.

Durch den objektiven Vergleich dreier völlig verschiedener Materialklassen ist es möglich, fundierte Aussagen über die elektrochemischen Mechanismen zu treffen. Auf dieser Basis können dann ungewünschte Nebenreaktionen, die bisher den kommerziellen Erfolg der Lithium-Schwefel-Batterie unterbinden, gezielt adressiert und behoben werden. Zudem wird die Elektrolytmenge deutlich minimiert. Insgesamt wird eine Energiedichte von 400 Wh/kg bei verdoppelter Zyklenstabilität anvisiert.

Die positiven Ergebnisse und Erkenntnisse aus den Arbeiten zur Elektrodenfertigung und der zugehörigen Anlagentechnik können in bestehende Netzwerke und andere Forschungsvorhaben einfließen. Es ist eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Energiespeichersysteme zu erwarten. Das Fraunhofer IWS kann somit sein Angebot an F&E-Dienstleistungen im Bereich der Beschichtungstechnik und der Li-S-Batterie ausbauen und sich als Technologieentwickler etablieren.

Als potenzielle Märkte für die Lithium-Schwefel-Batterie sind die Energiespeicherindustrie (Batterien, Supercaps), aber auch die Automobilindustrie zu nennen. Perspektivisch spielt auch die Photovoltaikindustrie eine große Rolle, da Strompeaks tagsüber gespeichert werden müssen, um sie in der Dunkelphase zu nutzen.

Mit dieser Zielsetzung erfüllt das Fraunhofer IWS ganzheitlich die Bestrebungen der Bundesregierung mit dieser Fördermaßnahme. Im Mittelpunkt stehen neuartige Kohlenstoffmaterialien bzw. Prozesse zur Verarbeitung dieser Materialien. Schwerpunkt ist zudem die Verbesserung der Energiedichte, der Lebensdauer, der Sicherheit sowie die Senkung der Kosten. Dieses Vorhaben unterstützt damit den Aufbau bzw. Ausbau elektrochemischer Kompetenzen in Forschungseinrichtungen. Ziel des Fraunhofer IWS ist die Aufklärung der komplexen elektrochemischen Mechanismen der Lithium-Schwefel-Batterie.

Das Vorhaben ist durch die Zielstellung im Bereich der Li-S-Batterie dem Punkt „Zukünftige Batteriesysteme“ zuzuordnen, wobei auch Förderthemen aus „Material- und Prozesstechnik“ adressiert werden.