Ein (sich) abhebendes Elektroden- und Zellkonzept für High-Power-Li-S-Batterien

Lithium-Schwefel-(Li-S-)Batteriezellen erreichen bereits gravimetrische Energiedichten bis 400 Wh/kg und sind in dieser Eigenschaft herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien deutlich überlegen. Insbesondere Fluganwendungen profitieren von diesem Vorteil und erste Demonstrationsprojekte nutzen Li-S-Batterien als Speicher und für den elektrischen Antrieb von Pseudosatelliten. Mit dem wachsenden Markt der unbemannten Fluggeräte für die zivile Anwendung (moderner Ackerbau, Medikamententransport) steigt auch der Bedarf an leichten, leistungsfähigen Batterien.

Mit dem Einsatz von Li-S-Zellen (350 bis 450 Wh/kg) in diesen Fluggeräten wäre gegenüber Lithium-Ionen-Zellen (150 bis 250 Wh/kg) eine Verdopplung der unabhängigen Flugzeit und somit deutliche Kostenersparnisse sowie breitere Einsatzbereiche für den Anwender möglich. Jedoch verhindert bisher die geringe Technologiereife eine breite Anwendung der Li-S-Zellen. Zudem ist wenig zu den Einflussgrößen auf die Leistungsfähigkeit und weitere anwendungsrelevante Eigenschaften der Zellen bekannt, sodass sich auch ein Bedarf zur wissenschaftlichen Aufarbeitung ergibt. Die Fokussierung auf Li-S-Zellen mit einer besonders hohen Leistungsdichte würde außerdem zu einer erheblichen Verkürzung von Feedback-Schleifen in der Materialentwicklung führen. Somit birgt gerade die Leistungsverbesserung ein großes Potenzial, um die Li-S-Speichertechnologie im Allgemeinen schneller zur Marktreife zu führen.

Gesamtziel des Vorhabens ist somit die Leistungsverbesserung der Li-S-Zellen und die Demonstration verlängerter Flugdauer in einer Prototyp-Fluganwendung. Innovationen im Zellaufbau, in der Auslegung der Elektroden und im Elektrolytsystem sind die Lösungsansätze für diese Zielstellung.

Partner im Projekt sind das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), das Fraunhofer IWS und die Wingcopter Holding GmbH & Co. KG. Das HZB adressiert dabei Operando-Untersuchungen zur Ermittlung von Einflussgrößen auf die Konversionskinetik bzw. auf den Ionentransport für die Ableitung von Elektrolytrezepturen und Kathodenstrukturen für Hochleistungszellen.

Das IWS entwickelt leistungsfähige Elektrolyte und das Elektroden- bzw. Zelldesign. Die Umsetzung der neuen Ansätze erfolgt in Multilagen-Pouchzellen, dabei wird besonders die Leistungsfähigkeit evaluiert. Schwerpunkte sind dabei der leistungsoptimierte Elektroden- und Zellaufbau und die Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Li-S-Batteriezellen durch ein innovatives Elektroden- und Zelldesign.

Wingcopter ist für die Ermittlung von Anforderungsprofilen für Batteriezellen in verschiedenen Anwendungsszenarien und die Entwicklung von Drohnen-Konstruktionen für die Reichweiten-Erhöhung verantwortlich. Schwerpunkt hierbei ist die Demonstration von Li-S-Batterien mit verlängerter Flugdauer und der Bau eines Prototyp-Fluggerätes für die Demonstration der Li-S-Batterie-Technologie.

Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch eine höhere gravimetrische Energiedichte, umweltfreundlichere Komponenten und geringere Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus. Damit ist diese Zellchemie äußerst attraktiv für zukünftige Speicherlösungen, insbesondere zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Erste Anwendermärkte werden im Bereich der unbemannten Fluggeräte (UAV) erwartet. In den vergangenen Jahren wurden durch deutsche Start-up-Unternehmen (doks.innovation, Dedrone, Wingcopter, RUCON GmbH, …) bereits eine Reihe ziviler, industrieller UAV-Anwendungen erschlossen, u. a.

• Inspektion und Datenerfassung in der Landwirtschaft

• Inspektion von Industrie-Produktionsanlagen

• Inspektion energietechnischer Anlagen (Wind, Solar)

• Vermessung & Kartografie

• Transport von Medizingütern

In diesem dynamischen Segment wird ein großes Wachstum erwartet. Verbesserte Batterien ermöglichen höhere Reichweiten und somit breitere Einsatzmöglichkeiten.

Für sichere, stabile Li-S-Zellen mit hoher Energiedichte kann langfristig mit einem breiten Einsatz als Energiespeicher in Konkurrenz zur Lithium-Ionen-Technologie in mobilen und stationären Anwendungen gerechnet werden. Von einem Know-how-Vorsprung zu dieser zukünftigen Batterietechnologie werden deutsche Unternehmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette wie das KMU Wingcopter profitieren. Weiterhin werden an den Forschungsinstituten nachhaltig Kompetenzen im Bereich Materialsynthese sowie Elektrochemie aufgebaut und wissenschaftlicher Nachwuchs an diese herangeführt.