Neue Separatorbeschichtungen und adaptiertes Zelldesign für zyklenstabile Lithium-Schwefel-Zellen

Lithium-Schwefel-(Li-S-)Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus. Damit ist diese Zellchemie äußerst attraktiv für zukünftige Speicherlösungen, auch zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Größte Herausforderung stellt die geringe Lebensdauer der Zellen dar. Aktuelle Li-S-Prototyp-Zellen erreichen eine Energiedichte von 350 Wh/kg, degradieren aber innerhalb der ersten 50 Lade-/Entladezyklen deutlich, weshalb sie für einen Einsatz in der Elektromobilität bislang ungeeignet sind. Ein Grund für die geringe Zyklenstabilität sind Zersetzungsreaktionen an der Lithiummetall-Anode. Die Herausforderung besteht in der Entwicklung neuer Konzepte, durch die sich die Anode effektiv schützen und die Kontaktfläche zum Flüssigelektrolyten minimieren lässt.

Ziel des Vorhabens ist es daher, durch neue Komponenten und ein innovatives Zelldesign Lithium-Schwefel-Zellen mit drastisch erhöhter Stabilität zu entwickeln. So sollen neue Separatorkonzepte, verbesserte Kathoden und spezielle Gehäuse entwickelt und aufeinander abgestimmt werden. Die Evaluierung von Sicherheit und Performance erfolgt an 25-Ah-Prototypzellen.

Schwerpunkt neues Separatorkonzept:

• Entwicklung geeigneter Separatoren/Trägermembranen für die Li-S-Zelle,

• Entwicklung einer Separatorbeschichtung für höhere Zellstabilität,

• Entwicklung eines Fertigungskonzeptes für Separator-Anodenverbund.

Schwerpunkt verbesserte Kathoden:

• Untersuchungen zum verbesserten Verständnis von Zellreaktionen,

• Entwicklung geeigneter Kathoden für hohe Energiedichten auf Zellebene,

• Transfer verbesserter Kathoden-Rezepturen auf skalierbare Fertigungsprozesse.

Schwerpunkt Zellbau mit speziellen Gehäusen und Zelltests:

• Definition von Zielvorgaben und Zelltests hinsichtlich Automobilanwendung der Li-S-Batterie,

• Entwicklung geeigneter Gehäuse unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten und Besonderheiten der Li-S-Batterie,

• Herstellung von Hochenergie-Prototypzellen mit erhöhter Stabilität,

• Planung und Durchführung von Sicherheitstests an Li-S-Zellen,

• Anpassung bestehender Testmethoden für LIB an Li-S.

Mit Materialinnovationen im Bereich der Separatormembran, der Kathoden und Elektrolyte, sowie mit einem neuen Gehäusekonzept konnte die Zyklenstabilität der Li-S-Zellen entscheidend verbessert werden. Die Evaluierungsergebnisse an Prototypzellen ermöglichen eine realistische Bewertung der Li-S-Technologie hinsichtlich mobiler Anwendungen. So können das Potenzial, aber auch die Schwachstellen aufgezeigt und untersucht werden und für weitere Entwicklungsarbeiten als Grundlage dienen.