Neues Forschungsprojekt: Geschütztes Galvano-Lithium für Lithium-Schwefel-Batterien

Im Bereich der Energiespeicher gibt es eine Vielzahl verschiedener Anwendungen, die hohe Erwartungen an mobile Energiespeicher stellen. Die Speicher müssen eine große spezifische Energiedichte aufweisen und diese über viele Lade- und Entladezyklen hinweg konstant speichern bzw. abgeben. Neben Sicherheitsaspekten spielen dabei auch die Kosten und die gute Verfügbarkeit und Umweltverträglichkeit der Rohstoffe eine Rolle. Viele dieser Anforderungen können durch das Lithium-Schwefel-System erfüllt werden, das als mögliches Nachfolgesystem der Lithium-Ionen-Batterie gehandelt wird.
Das neue Verbundprojekt hat die Entwicklung einer Lithium-Schwefel-Zelle zum Ziel und stützt sich auf eine Reihe von Vorgängerprojekten. Die drei Hauptkomponenten Lithium-Anode, Schwefel-Kathode und Elektrolyt/Separator, die zu einem Gesamtzellkonzept vereint werden, sind dabei innovative Weiterentwicklungen, aufbauend auf dem Know-How der Forschungspartner fem, Hochschule Aalen und VARTA Microbattery. Die Anode besteht aus einer elektrochemisch abgeschieden Lithium-Schicht, die mit einer Polymerschicht geschützt wird. Als Separator/Elektrolyt-Kombination dient ein Separator, der mit einem Gel-Elektrolyten modifiziert ist. Die Kathode schließlich besteht aus einer Nickel-Matrix mit schwefelbeladenen Trägerpartikeln. Die einzelnen Zellkomponenten werden von VARTA Microbattery zu einer Gesamtzelle zusammengefügt, um die Funktionsfähigkeit der Zellkomponenten im Zusammenspiel zu demonstrieren.
Für die Anode wird die dendritenfreie elektrochemische Abscheidung von Lithium (entwickelt im AiF-Projekt Sichere LiS-3D-Zelle, IGF 19134N) am fem weiter optimiert. Besonderer Vorteil im Vergleich zum Einsatz von Lithiumfolie ist hier die Verringerung des Lithiumüberschusses in der Zelle, was die Zellsicherheit erhöht. Zusätzlich erleichtert die Polymerschutzschicht die Handhabung der Anode und schützt die Lithiumschicht vor unkontrollierten Nebenreaktionen. Der Einsatz einer mikrostrukturierten Metallfolie als Substrat für die Abscheidung und damit als Stromableiter in der Batterie erhöht die aktive Oberfläche der Elektrode und führt zu einer optimalen Ausnutzung des aktiven Lithiums und damit zu einer hohen spezifischen Energie der Batterie. Außerdem verbessert sie die Haftung der Schichten und verringert die Kontaktwiderstände.
Die Kombination aus Gel-Elektrolyt und Separator, die gemeinsam vom fem und der Hochschule Aalen entwickelt wird, ist flexibel genug, um sich der Oberfläche der beiden Elektroden anzupassen und damit einen optimalen Kontakt zwischen Elektrolyt und Elektrode zu gewährleisten. Zudem unterbindet dieser Quasi-Festelektrolyt die unerwünschte Wanderung von Polysulfiden zur Anode – eines der Hauptprobleme der Lithium-Schwefel-Batterie. Auf diese Weise findet die für die Zellreaktion nötige Polysulfidbildung direkt an der Kathode statt, ohne dass die Polysulfide die Lithium-Anode passivieren. Dies verbessert die Zyklenfestigkeit und Lebensdauer der Zelle. Grundlage der Entwicklung der Schwefel-Kathode ist der von der Hochschule Aalen patentierte Kompositgalvanoformungsprozess, eine Kombination aus Galvanoformung und Dispersionsabscheidung (von mit Schwefel beladenen Trägerpartikeln) in einem einstufigen Herstellungsprozess. Auf diese Weise kann eine Elektrodenfolie hergestellt werden, die ohne nichtleitende Binder oder Leitadditive eine optimale elektrische und mechanische Anbindung des Aktivmaterials Schwefel an die Nickelmatrix gewährleistet. Zusätzlich verbessert das Katalysatormaterial auf den Trägerpartikeln (entwickelt im BMWi-Projekt 03ET6084B) die Kathodenkinetik. Mit den genannten Maßnahmen des Verbundprojektes soll die wirtschaftliche Umsetzung der Lithium-Schwefel-Batterie weiter vorangetrieben werden.
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