Im Rahmen der Energiewende nimmt die Energiespeicherung eine zentrale Stellung ein. Um die Reichweite von Fahrzeugen zu erhöhen, den wachsenden Energiebedarf von portablen elektronischen Geräten zu decken oder um Energie für stationäre Anwendungen zwischen zu speichern, sind effiziente Energiespeicher notwendig. Die aktuell hauptsächlich eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien stoßen in Bezug auf die Energiedichten an ihre Grenzen und weisen eine unzureichende Umweltbilanz und hohe Materialkosten auf. Eine interessante Alternative, die im Fokus der Forschung steht, sind Lithium-Schwefel-Batterien, deren theoretische Energiedichte ca. dreimal so hoch ist wie bei Lithium-Ionen-Batterien. Schwefel ist im Vergleich zu den in Li-Ionen-Batterien eingesetzten Kathodenmaterialien weder giftig noch umweltgefährdend und aufgrund der höheren globalen Verfügbarkeit auch deutlich kostengünstiger.

Trotz intensiver Forschung sind Lithium-Schwefel-Batterien aufgrund der geringen Zyklenfestigkeit und Coulomb-Effizienz noch nicht wirtschaftlich nutzbar. Eine Ursache für die geringe Zyklenfestigkeit ist der so genannte Polysulfid-Shuttle-Mechanismus. Die Zyklenfestigkeit von Lithium-Schwefel-Batterien wird in hohem Maße davon bestimmt, ob die während der Zellreaktion entstehenden Polysulfide in der Kathode gehalten bzw. an der Passivierung der Anode gehindert werden können. 

Ziel dieses Projektes war zum einen die Entwicklung von Separatoren mit maßgeschneiderten, per Plasmabeschichtung aufgebrachten Übergangsmetallverbindungen. Diese Verbindungen adsorbieren Polysulfide und verhindern damit deren Übergang zur Anode. Als weiteren Lösungsansatz sollten in die Kathode unterschiedliche Übergangsmetallverbindungen eingebracht werden. Die Entwicklung der Separatorbeschichtung fand am fem statt. Dabei wurden handelsübliche Separatoren als Grundmaterial verwendet und unterschiedliche Übergangsmetalloxide, bzw. -sulfide per Plasma-Gasphasen-Abscheidung (PVD) aufgebracht. Die erhaltenen Schichten wurden hinsichtlich Morphologie und chemischer Zusammensetzung charakterisiert und die für Li-S-Zelle relevante Eigenschaften, wie Li-Ionenleitfähigkeit und Polysulfiddiffusion untersucht.

In Vollzellen wurde am ZBT das elektrochemische Verhalten untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass einige Materialien den Polysulfid-Shuttle unterdrücken können. Am ZBT wurden Kathoden mit unterschiedlichen Übergangsmetallverbindungen entwickelt und elektrochemisch untersucht. Ebenso wurden die Polysulfide mit Hilfe einer insitu UV/Vis-Zelle während des Zyklisierens untersucht. Insgesamt konnten Materialen identifiziert werden, die den Polysulfid-Shuttle unterdrücken und damit zur Verlängerung der Lebensdauer von Li-S-Zellen beitragen.

Danksagung: Das IGF-Vorhaben 21119 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.