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

Lithium-Schwefel (Li/S) Batterien zeichnen sich durch ihre besonders hohe, theoretisch mögliche, gravimetrische Energiedichte von 2500 Wh/kg aus. Die enthaltene umweltfreundliche Schwefelkathode ist außerdem ein wichtiger Faktor, der dieses System zu einem vielversprechenden Kandidaten für die post-Lithium-Ion Ära macht. Li/S Batterien weisen jedoch einen starken vom Ladezyklus abhängigen Kapazitätsverlust auf, der eine breite kommerzielle Anwendung bisher verhindert hat. Um die Leistungscharakteristik von Li/S Batterien weiter zu verbessern, wird ein grundlegendes Verständnis der Konversionschemie benötigt. Operando Methoden bieten hierbei einen einzigartigen Zugang, um Prozesse, die zur Verminderung der Zellkapazität führen, direkt während des Zellbetriebs zu detektieren. Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) kann auf eine starke Expertise in der Probenumgebung zurückgreifen. So wurde bereits in mehreren Publikationen gezeigt, dass Untersuchungen mit operando Methoden wertvolle Einblicke in elektrochemische Systeme liefern können. Hier ist besonders die Bedeutung von multidimensionalen operando Ansätzen hervorzuheben, die während des Zyklierens der Li/S Batterie mehrere, voneinander unabhängige, Messungen erlauben.

Ziel des gesamten Verbundprojektes ist es, in enger Zusammenarbeit mit allen Projektpartnern Li/S Batterien soweit zu optimieren, dass sie die hohen Anforderungen für Flugdrohnen erfüllen (Maximale Stromraten bis 2 C, Energiedichte auf Zellebene von >280 Wh/kg). In einem iterativen Feedbackverfahren werden neue Kathodenmaterialien und Elektrolytsysteme vom Fraunhofer IWS mit den vom HZB entwickelten operando Methoden analysiert und bewertet. Diese Erkenntnisse fließen in mehreren Feedbackschleifen in das Design und die Herstellung von verbesserten Materialansätzen ein um die von Wingcopter gesetzten Anforderungen zu erreichen.

Aufgrund der besseren volumetrischen Ausnutzung des Aktivmaterials auf Zellebene basiert der Großteil kommerzieller Batteriezellen auf dem Pouchzellendesign. Daher ist es notwendig ein neues operando Setup auf dieser Basis am HZB zu entwickeln, da sich nicht alle gewonnenen Erkenntnisse aus den operando Knopfzellenmessungen auf die nächst höhere Skala übertragen lassen.

Somit lassen sich für das HZB folgende Einzelziele formulieren:

• Verbesserung des Wissenstands bezüglich der Degradierungsmechanismen in Li/S Batterien (Knopfzelle, Pouchzelle)

• Entwicklung eines neuartigen operando Messaufbaus für Pouchzellen aufbauend auf Erfahrungen mit bereits bewährten operando Verfahren für Knopfzellen.

Die positiven Ergebnisse dieses Projektes werden, nach möglicher einer Erfindungsanmeldung, in der einschlägigen Fachliteratur veröffentlicht. Der Erkenntnisgewinn in diesem Projekt ist auch in der Spezialisierung des Postdoktorands von Nutzen.

Die operando-Analysekapazitäten können auf weitere elektrochemische Speichersysteme (Li-ion, Na/S etc.) mit realistischem Potential für die kurz-bis mittelfristige Erreichung der Marktreife in Form von Drittmittelprojekten bzw. FuE Aufträgen z.B. mit der Automobilindustrie transferiert werden. Im Bereich der Grundlagenforschung werden wichtige neue Erkenntnisse erwartet, die zu einer nachhaltigen Stärkung der Expertise des HZB auf dem Gebiet der operando Analyse von elektrochemischen Speichern führt. Daraus resultieren gute Aussichten für spätere Verbundprojekte bzw. FuE Verträge. Weiterhin sind auch Industriekooperationen hinsichtlich der operando Analyse von bereits bestehenden kommerziellen (Pouchzellen-)Systemen denkbar.