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.

Ziel dieses Vorhabens für die TU Dresden ist es, neue Kohlenstoffmaterialien zu entwickeln, die diese Diffusion unterdrücken bzw. deutlich zu minimieren. An Stelle von reinen Kohlenstoffmaterialien werden stickstoffdotierte Kohlenstoffe eingesetzt, da sie eine besondere Affinität zu Polysulfiden besitzen und erste Arbeiten dazu zeigen, dass sie deutlich höhere Polysulfid-Mengen als undotierte Kohlenstoffe adsorbieren können. Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele und angestrebte Innovationen für das Teilprojekt der TU Dresden als Partner sind zusammenfassend:

Ziel 1: Synthese und Charakterisierung innovativer stickstoffhaltiger poröser Kathodenmatrices für Lithium-Schwefel-Kathoden

Ziel 2: Verständnis über mechanistische Aspekte der Polysulfid-Diffusion.

Als Kathodenmatrix werden von der TU Dresden stickstoffdotierte vertikal ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren und stickstoffdotierte hochporöse Kohlenstoffe durch Anpassung der Syntheseparameter mit verschiedenen Stickstoffprecursoren und Porositäten hergestellt und hinsichtlich Ihrer Porengeometrie, spezifischer Oberfläche, Stickstoffgehalt sowie Graphitisierungsgrad charakterisiert. Im anschließenden Schritt werden vielversprechende Materialien an das Fraunhofer IWS als Projektpartner gegeben und mit Schwefel infiltriert und in einem trockenen Verfahren zu freistehenden Filmen verpresst. Diese werden einerseits mit Hilfe von galvanostatischem Laden/Entladen hinsichtlich ihrer Zyklenstabilität getestet. Aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen werden von der TU Dresden sowohl die Elektroden als auch die stickstoffhaltige poröse Matrix iterativ an die Ansprüche in der Zelle angepasst. Ausgewählte Materialien werden zudem ex-situ in Bezug auf ihre Polysulfidadsorptionseigenschaften durch spektroskopische Methoden (UV-Vis, Raman, NMR) untersucht.

Es werden die Kenntnisse zu den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen genutzt, um die stickstoffdotierte Kohlenstoffmatrix so maßzuschneidern, dass die Elektrolytmenge deutlich minimiert werden kann. Ziel für die TU Dresden ist die Entwicklung eines Kohlenstoffmaterials, welches eine Zelle mit einer Energiedichte von 400 Wh/kg bei verdoppelter Zyklenstabilität anvisiert.

In diesem Vorhaben steht besonders die Stärkung der eigenen wissenschaftlichen Leistungsfähigkeit im Vordergrund. Durch dieses Projekt werden wichtige Kernkompetenzen an der Professur für Anorganische Chemie auf dem Gebiet der porösen Materialien und chemischer Gasphasenabscheidung weiter ausgebaut. Die Arbeitsgruppe verfügt bereits zu Beginn der Projektlaufzeit über fundierte Kenntnisse zur Herstellung poröser Kohlenstoffe mit einstellbarer Porosität in Pulver oder Monolith-Form, jedoch gibt es besonders bei stickstoffdotierten Materialien großes Entwicklungspotenzial.

Durch den Erfolg des Projektes sind verschiedene Weiterentwicklungen hinsichtlich der wissenschaftlichen Leistungsfähigkeit denkbar, um fundierte Aussagen über die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Kohlenstoff-basierten Kathodenmaterialien in der Lithium-Schwefel-Batterie zu treffen. Mit dieser Zielsetzung erfüllt die TU Dresden ganzheitlich die Bestrebungen der Bundesregierung mit dieser Fördermaßnahme. Im Mittelpunkt stehen neuartige Kohlenstoffmaterialien mit teilweise stark abweichenden Eigenschaften im Vergleich zu bisherigen Kohlenstoffmaterialien, die in der Literatur für Lithium-Schwefel-Kathoden eingesetzt werden. Schwerpunkt sind Materialien, die zur Verbesserung der Energiedichte, der Lebensdauer, der Sicherheit sowie die Senkung der Kosten des Kathodenmaterials führen. Da es sich hierbei um einen reinen Forschungsverbund handelt, werden besonders die Entwicklung maßgeschneiderter Materialien und der damit verbundenen Aufklärung der elektrochemischen Mechanismen adressiert.

Das Vorhaben ist durch die Zielstellung im Bereich der Li-S-Batterie dem Punkt „Zukünftige Batteriesysteme“ zuzuordnen, wobei für die Aktivitäten der TU Dresden in diesem Vorhaben vor allem Förderthemen aus „Material- und Prozesstechnik“ adressiert werden.