Projekt

LiSSy

Verbundprojekt

Prozessentwicklung für kristalline Schwefelkathoden mit kontrolliertem Schwefelkristallwachstum auf leitfähigen Netzwerken, Lösungsmitteltechnik für eine Schwefellöslichkeit von ≥70 Gew.-% bei 110 °C und dielektrisch abgestimmter Kristallausrichtung für großflächige Elektroden (50 × 70 mm).
Geometrische Skalierung und elektrochemische Validierung von Lithium-Metall-Host-Anoden, einschließlich EIS, CC-Stripping/Plating und postmortaler SEM-EDX-Charakterisierung nach Skalierung von 1,13 cm²-Knopfzellen auf 37,44 cm²-Pouch-Zellenformat.
Elektrophoretische Abscheidung von Beschichtungen auf Kohlenstoffbasis mit Funktionalisierung, Optimierung des Zeta-Potenzials zur Verbesserung der Leitfähigkeit (bis zu 10³ S/m) und Polysulfid-Retention, analysiert mittels SEM-EDX, TEM, DLS, Raman und Vierpunkt-Leitfähigkeitsmessung.
Electrolyte compatibility optimization for Li–S pouch cells through systematic screening of solvents, salts, additives, and lean-electrolyte formulations, followed by cycling tests (CV, PEIS, critical-current measurements) on single-layer pouch cells to validate >400 Wh/kg performance.
Circular-economy validation via lithium and sulfur recovery loops, including supply of LMH anodes, sulfur electrodes, and Li-S pouch cells for recycling experiments, and post-recovery reintegration of sulfur into synthesis for comparative performance evaluation.

Die Ziele des Verbundprojektes können folgendermaßen zusammengefasst werden:

Entwicklung von Hochenergie-Li-S-Batterien durch Kombination einer Lithium-Metall-Host-Anode mit einer kristallinen Schwefelkathode, um >500 Wh/kg auf Pouch-Cell-Niveau zu erreichen.
Senkung der Produktionskosten auf ~40 €/kWh durch die Verwendung von reichlich vorhandenem, kostengünstigem Schwefel anstelle von Kathodenmaterialien auf Nickel- oder Kobaltbasis.
Reduzierung des Kohlenstoffdioxid-Fußabdrucks um bis zu 70 % durch den Ersatz von hochtemperatur- und energieintensiven Fertigungsverfahren durch laserbasierte und Niedertemperatur-Verarbeitungsmethoden.
Überwindung der wichtigsten Herausforderungen bei Li-S-Batterien wie Polysulfid-Shuttling, Schwefelvolumenänderungen und Lithiumdendritenbildung durch fortschrittliche Werkstofftechnik und Operando-Analytik.
Ermöglichung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft durch die Entwicklung neuer Recyclingverfahren für Schwefel und Lithium und die Wiedereingliederung der zurückgewonnenen Materialien in die Elektrodenproduktion.

Diese Ziele sollen folgendermaßen erreicht werden:

Entwicklung und Optimierung beider Elektroden – der Lithium-Metall-Host-Anode und der kristallinen Schwefelkathode – einschließlich Skalierung, Lösungsmittelauswahl, Graphenoxidbeschichtungen und volumetrischen Vorausdehnungsmethoden.
Weiterentwicklung des Zelldesigns und der Produktion, Übergang von Knopfzellen zu mehrschichtigen Beutelzellen unter Berücksichtigung einer hohen Energiedichte, verbesserter Lebensdauer und optimierter Elektrolyte.
Implementierung laserbasierter Fertigungstechnologien, einschließlich der Entwicklung von UV-Lasern für die Schwefelverarbeitung, Vernetzung und Kathodenstabilisierung.
Entwicklung von Recycling- und Kreislaufwirtschaftskonzepten mit Schwerpunkt auf der Rückgewinnung von Lithium und Schwefel, lösungsmittelbasierten Trennverfahren und der Wiedereingliederung von zurückgewonnenen Materialien in neue Elektroden.

Es wird geplant die Ergebnisse des Projektes folgendermaßen zu Nutzen:

Zukünftige Lieferung von leistungsstarken Li-S-Zellen: Herstellung und Lieferung von Lithium-Schwefel-Beutelzellen für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, tragbare Geräte und stationäre Speicher, wodurch leichtere Systeme mit höherer Energie für Drohnen, eVTOLs und spezielle EV-Segmente ermöglicht werden.
Kommerzielle Skalierung und Lizenzierung: Skalierung der Produktion innerhalb Deutschlands (Roadmap umfasst eine geplante 1,0-GWh-Anlage) und Lizenzierung der Technologie an qualifizierte Batteriehersteller und Systemintegratoren.
Kosten- und Emissionssenkung: Ersatz teurer NMC-Kathoden durch reichlich vorhandenen Schwefel, um die Materialkosten und den CO₂-Fußabdruck drastisch zu reduzieren – mit dem Ziel von Zellkosten unter ~40 €/kWh und deutlich niedrigeren Kathodenmaterialkosten.
Kreislaufwirtschaft und Materialrecycling: Validierung von geschlossenen Rückgewinnungswegen (Recycling von zurückgewonnenem Schwefel in die Synthese) durch Recycling-Tests mit Partnern, um die Lebenszyklusemissionen und die Abhängigkeit von Rohstoffen zu minimieren.
Wissenstransfer und Personalentwicklung: Nutzung der Projektergebnisse zur Ausbildung von Fachpersonal, zur Weiterentwicklung des TRL (auf ~5 bis zum Projektende) und zur Ermöglichung von Folgeforschungs- und Industrialisierungsmeilensteinen (kleine Beutelzellen bis 2028; später Industrialisierung im mittleren/großen Format).