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

Lithium-Schwefel-(Li-S)-Batteriezellen erreichen bereits gravimetrische Energiedichten bis 400 Wh/kg und sind in dieser Eigenschaft herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien deutlich überlegen. Insbesondere Fluganwendungen profitieren von diesem Vorteil und erste Demonstrationsprojekte nutzen Li-S-Batterien als Speicher und für den elektrischen Antrieb von Pseudosatelliten. Mit dem wachsenden Markt (Verdopplung bis 2020) der unbemannten Fluggeräte (UAV: unmanned aerial vehicle) steigt auch der Bedarf an leichten, leistungsfähigen Batterien.

Mit dem Einsatz von Li-S-Zellen (350 bis 450 Wh/kg) in UAV wäre gegenüber Lithium-Ionen-Zellen (150 bis 250 Wh/kg) eine Verdopplung der autarken Flugzeit und somit deutliche Kostenersparnisse sowie breitere Einsatzbereiche für den Anwender möglich. Jedoch verhindert bisher die geringe Technologiereife eine breite Anwendung der Li-S-Zellen.

Gesamtziel des Teilvorhabens ist insbesondere die Leistungsverbesserung der Li-S-Zellen, da sie bisher unzureichend und somit der Einsatz dieser Batterien in Senkrechtstartern (Quadrocopter o. ä.) zunächst ausgeschlossen ist. Eine umfangreiche Literaturrecherche (1992 Artikel) ergab, dass wenig zu den Einflussgrößen auf die Leistungsfähigkeit der Zellen bekannt ist. Zudem sind Untersuchungen an Knopfzellen oft irreführend (Angabe von C-Raten, Experimente mit hohem Elektrolytüberschuss und geringer Aktivmaterialbeladung), sodass sich auch ein Bedarf zur wissenschaftlichen Aufarbeitung ergibt.

Die Fokussierung auf Li-S-Zellen mit einer besonders hohen Leistungsdichte würde außerdem zu einer erheblichen Verkürzung von Feedback-Schleifen in der Materialentwicklung führen. Somit birgt gerade die Leistungsverbesserung („High Power“-Zellen) ein großes Potenzial, um die Li-S-Speichertechnologie im Allgemeinen schneller zur Marktreife zu führen.

An diesen Punkten setzt das Teilvorhaben ganzheitlich und auf Prototyp-Niveau an, sodass sich die folgenden wesentliche Arbeitsschwerpunkte für das Fraunhofer IWS ergeben.

Wissenschaftliche Arbeitsschwerpunkte

• Aufbau eines Grundlagenverständnisses für Einflussgrößen auf den Innenwiderstand von Li-S-Zellen und Kathoden-Konversionsmechanismen in neuen Elektrolytsystemen

• Modell zu elektrischen Eigenschaften für die maßgeschneiderte Auslegung von „HiPoLiS“-Elektroden (perforierter Stromkollektor und Stickstoff-dotierte CNT/S-Aktivmaterialschicht) und den daraus resultierenden Zellen

Technische Arbeitsschwerpunkte

• Technische Umsetzung des „HiPoLiS“-Elektrodenkonzeptes mit 2 mAh pro Quadratzentimeter bei einem um 70 Prozent reduzierten Gewicht des Stromableiters durch Perforation

• Entwicklung eines Elektrolytsystems mit Ionenleitfähigkeit > 2 mS/cm und Polysulfid-Löslichkeit < 10 mM/L

• Entwicklung einer Hochleistungs-Li-S-Zelle mit > 280 Wh/kg bei 2C-Entladung

Angestrebte Innovationen

Die Leistungsfähigkeit von Li-S-Zellen wird bisher durch verschiedene Beiträge zum Innenwiderstand der Zellen limitiert. Das Fraunhofer IWS setzt mit Innovationen beim Elektrodendesign und Elektrolyten an diesen Punkten an und strebt eine ganzheitliche Reduktion des Innenwiderstandes auf Zellebene an.

Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch eine höhere gravimetrische Energiedichte, umweltfreundlichere Komponenten und geringere Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus. Damit ist diese Zellchemie äußerst attraktiv für zukünftige Speicherlösungen, insbesondere zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen.

Erste Anwendermärkte werden im Bereich der unbemannten Fluggeräte (UAV) erwartet. In diesem dynamischen Segment wird ein großes Wachstum erwartet. Verbesserte Batterien ermöglichen höhere Reichweiten und somit breitere Einsatzmöglichkeiten, vor allem auch für zivile Anwendungen wie moderne Landwirtschaft und Medikamententransport.

Für sichere, stabile Li-S-Zellen mit hoher Energiedichte kann langfristig mit einem breiten Einsatz als Energiespeicher in Konkurrenz zur Lithium-Ionen-Technologie in mobilen und stationären Anwendungen gerechnet werden. Von einem Know-how-Vorsprung zu dieser zukünftigen Batterietechnologie werden deutsche Unternehmen im Allgemeinen (Material- und Komponentenhersteller bzw. Endanwender) und das Fraunhofer IWS im Besonderen profitieren.