Stickstoffhaltige Kohlenstoffe für hochkapazitive zyklenstabile Lithium-Schwefel-Kathoden

Lithium-Schwefel-(Li-S-)Batterien, die eine angemessene Schwefelmenge pro Fläche und eine möglichst minimale Elektrolytmenge aufweisen, zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus, zeigen jedoch bisher nur eine geringe Lebensdauer der Zellen. 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 sind Elektrolytzersetzung an der metallischen Lithiumanode bzw. deren Dendriten-Bildung. Diese Reaktionen werden vor allem durch lösliche Polysulfide bedingt, welche als Zwischenprodukte während der Entladung entstehen, zur Lithiumanode diffundieren und zur Selbstentladung und anderen ungewünschten Nebenreaktionen führt.

Ziel dieses Gesamtvorhabens ist es, diese Diffusion 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.

Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele und angestrebte Innovationen sind zusammenfassend:

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

Ziel 2: Anpassung der Elektrodenherstellung an die einzelnen Materialklassen,

Ziel 3: Verständnis über mechanistische Aspekte der Polysulfid-Diffusion,

Ziel 4: Minimierung des Elektrolyt-Schwefelmenge-Verhältnisses.

In diesem Vorhaben werden drei verschiedene Substanzklassen als Kathodenmatrix eingesetzt, mit Schwefel infiltriert, als Elektrodenmaterial skalierbar lösungsmittelfrei verarbeitet und anschließend vs. Lithiummetall elektrochemisch getestet.

Als Kathodenmatrix werden poröse Polymere, vertikal ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren und stickstoffdotierte hochporöse Kohlenstoffe durch Anpassung der Syntheseparameter mit verschiedenen Stickstoffprecursoren und Porosität von der TU Dresden und dem MPI in Stuttgart hergestellt und hinsichtlich Ihrer Porengeometrie, spezifischer Oberfläche, Stickstoffgehalt sowie kristallinen Struktur charakterisiert. Im anschließenden Schritt werden vielversprechende Materialien mit Schwefel infiltriert und in einem trockenen Verfahren vom Fraunhofer IWS zu freistehenden Filmen verpresst. Diese werden einerseits mit Hilfe von galvanostatischem Laden/Entladen hinsichtlich ihrer Zyklenstabilität getestet. Andererseits wird durch Zyklovoltametrie bzw. Impedanzmessungen der Lade-/Entladevorgang mechanistisch untersucht. Vor und nach dem Zyklieren werden die Elektroden ergänzend zu den elektrochemischen Methoden sowohl mikroskopisch als auch spektroskopisch untersucht.

Aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen werden sowohl die Elektroden als auch die stickstoffhaltige poröse Matrix iterativ an die Ansprüche in der Zelle angepasst. Ausgewählte Materialien werden von der TU Dresden zudem ex-situ in Bezug auf ihre Polysulfidadsorptionseigenschaften durch spektroskopische Methoden untersucht.

Durch den objektiven Vergleich dreier völlig verschiedener Materialklassen und die komplementäre Nutzung der Expertisen der drei beteiligten Institute 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 werden die Kenntnisse zu den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen genutzt, um die stickstoffdotierte Kohlenstoffmatrix so maßzuschneidern, dass die Elektrolytmenge deutlich minimiert werden kann. Insgesamt wird eine Energiedichte von 400 Wh/kg bei verdoppelter Zyklenstabilität anvisiert.

Mit dieser Zielsetzung erfüllt dieses Vorhaben 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. Zudem werden die Prozesse zur Verarbeitung dieser neuen Materialien adressiert. 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. Da es sich hierbei um einen reinen Forschungsverbund handelt, werden besonders die Entwicklung maßgeschneiderter Materialien und die Aufklärung der elektrochemischen Mechanismen adressiert. 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.

Das Fraunhofer IWS kann somit mittelfristig sein Angebot an F&E-Dienstleistungen im Bereich der Beschichtungstechnik und der Li-S-Batterie weiter ausbauen und sich als Technologieentwickler etablieren. Als potenzielle Märkte kann die Energiespeicherindustrie (Batterien, Supercaps), aber auch die Automobilindustrie und perspektivisch für die Lithium-Schwefel-Batterie die Photovoltaikindustrie genannt werden, da Strompeaks tagsüber gespeichert werden müssen, um sie in der Dunkelphase zu nutzen. Durch dieses Projekt werden wichtige Kernkompetenzen an der TU Dresden und dem MPI Stuttgart auf dem Gebiet der porösen Materialien ausgebaut.

Der Erfolg des Projektes und die erworbenen Kenntnisse werden kurz- und mittelfristig patentiert/publiziert und einem internationalen Fachpublikum bei Konferenzen vorgestellt. Mittelfristig werden Dissertationsarbeiten zu dem Thema angefertigt, sodass junge Wissenschaftler ausgebildet werden, um langfristig in der deutschen Wirtschaft ihre erworbenen Kenntnisse anwenden können.