Lithium-Schwefel-Feststoffbatterien als Zukunftsbatterie

Leistungsfähige, sichere Batterien können der Elektromobilität zum konsequenten Durchbruch verhelfen, da vollelektrische Fahrzeuge mit hoher Sicherheit, Reichweite und langer Lebensdauer attraktiv für den Endverbraucher sind. Die Lithium-Ionen-Technik ist hinsichtlich der erreichbaren Energiedichten bereits weit entwickelt, deckt aber noch nicht die aktuellen Anforderungen ab. Daher müssen neue Zellkonzepte systematisch erforscht werden. Wichtig ist dabei, zukünftige Zellkonzepte schon von Anfang an auf ihren optimalen und effizienten Verwendungszweck zu untersuchen.

Einerseits versprechen Ansätze wie Lithium-Schwefel- (Li-S-), aber auch Lithium-Festkörper-Batterien (Li-ASB) deutlich höhere Kapazitäten. Eine Li-S-Batterie mit einer Lithium-Metall-Anode weist hierbei hohe theoretische Kapazitäten von 2.800 Wh/L bzw. 2.500 Wh/kg auf. Im Vergleich dazu stellen aktuelle Lithium-Ionen-Batterien praktische Energiedichten von ca. 270 Wh/kg auf Zellebene bereit. Andererseits ist der Einsatz einer Li-ASB mit höherer Sicherheit, bei ggf. sogar niedrigeren Kosten, verbunden, da diese auslaufsicher und hochtemperaturstabil sind.

Ziel des Projektes ist es deshalb, eine Lithium-Schwefel-Feststoffbatterie zu entwickeln. Hierbei werden die Konzepte der Lithium-Schwefel-Batterie und der Feststoffbatterie kombiniert und die spezifischen Probleme beider „Muttertechnologien“ gezielt durch die Stärken der jeweils anderen kompensiert werden. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen letztlich Energie- und Leistungsdichte, Degradationsverhalten sowie Prozessierbarkeit für eine industrierelevante Hochskalierung.

Die in LISZUBA geplanten Arbeiten adressieren Probleme der Li-S-Zellen mit Flüssigelektrolyten. Es soll im Rahmen des Projektes eine Li-S-Feststoffbatterie entstehen, die einen neuartigen Zellaufbau besitzt und diese Probleme minimiert bzw. eliminiert, indem mit zwei verschiedenen Festelektrolytkomponenten gearbeitet wird.

Auf der Seite der Kathoden wird die Mikrostruktur und Architektur von Kompositmaterialien optimal gestaltet und mit den schnellen und weichen Ionenleitern der Thiophosphate verknüpft. Auf der Anode wird eine dichte Deckschicht mit einem schnellen Lithium-Ionen-leitenden Oxid aufgebracht, das stabil gegenüber Lithium-Metall ist. Dabei wird der Übergang von der Anoden- zur Kathodenseite (oxidischer zu sulfidischer Lithium-Ionen-Leiter) durch Strukturierung der Oberflächen optimiert. Somit werden die Probleme der Thio-Elektrolyte auf der Anodenseite sowie die der mechanisch steifen Oxide auf der Kathodenseite behoben.

Dieser Festelektrolyt-Hybridansatz mit optimierter Kathodengeometrie ist höchst vielversprechend und innovativ, um die relevanten Kenndaten einer Batterie zu verbessern. Das Projektkonsortium spiegelt von der Material- und Prozesstechnologie die gesamte Bearbeitung wider, welche notwendig ist, um eine Evaluation dieses zukunftsträchtigen Batteriesystems für die Elektromobilität zu ermöglichen.

Die aus dem Projekt hervorgehenden Erkenntnisse über den Aufbau und die industrielle Realisierbarkeit von Li-S-Feststoffbatterien sind essentiell für eine realistische Prognose dieser möglichen Technologie für die Elektromobilität und den Wirtschaftsstandort Deutschland. Die Prognose über die Erfolgsaussichten und Realisierbarkeit der Technologie ist kurz- bis mittelfristig möglich, ein Transfer zum Material und Zellentwickler ist als mittel- bis langfristig einzuschätzen. Deutsche Unternehmen können sich somit frühzeitig zu einer möglichen Li-S-Zellproduktion in Deutschland positionieren. Damit wird die deutsche Wirtschaft und insbesondere der komplette Wirtschaftszweig „Elektromobilität“ mit Erkenntnissen beliefert, die nachhaltig die Position des Standorts Deutschland auf diesem Gebiet sichern.