Für die nächste Generation von flexibler Elektronik wie aufrollbaren Bildschirmen, körpernahen Smart Devices oder Smart Textiles besteht ein steigendes Interesse an flexiblen, sicheren, dünnen und leichten Energiespeichern. Für flexible Batterien müssen alle Bestandteile, von den funktionalen Zellkomponenten wie Anode, Kathode, Elektrolyt, Separator und Stromsammler bis zur Einhausung dieser Komponenten flexibel genug sein, um mechanischer Verformung im Einsatz Stand zu halten. Außerdem muss die Leistungsfähigkeit der Batterie auch unter mechanischer Belastung erhalten bleiben. Die meisten heute existierenden Batterien sind zu schwer, voluminös und starr, um den Anforderungen der hier anvisierten Anwendungen zu genügen.
Im Unterschied zu konventionellen elektrochemischen Energiespeichern weisen flexible Speicher für moderne Anwendungen ein Anforderungsspektrum anderer Gewichtung auf. Während auch hier eine möglichst hohe spezifische Energie und eine hohe Zyklen- und Ratenfestigkeit vorteilhaft sind bzw. sein können, müssen in einem ersten Schritt doch andere Faktoren verbessert und optimiert werden, ohne die die Lebensdauer und Sicherheit und damit die Anwendbarkeit in der Zielanwendung auf inakzeptable Weise eingeschränkt wären. An erster Stelle kommt es hier auf die mechanische Flexibilität und Belastbarkeit bei gleichzeitig möglichst geringem Risiko für Funktionsversagen sowie die Gefahr durch zu starke Wärmeentwicklung oder Brandentstehung im Falle einer fatalen Schädigung z.B. durch Verunfallung etc. an.
Eine verbesserte mechanische Stabilität ist auch im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit wichtig, z.B. in Textilmaschinen. In Bezug auf die Zellchemie von flexiblen Energiespeichern werden bislang verschiedene Ansätze verfolgt, wobei sich das Lithium-Schwefel-System aufgrund einiger wichtiger intrinsischer Vorteile besonders anbietet. Die antragstellenden Forschungseinrichtungen HSAA und fem haben in bereits abgeschlossenen Forschungsvorhaben IGF 18127N, IGF 19134N und BMWi 03ETE026C neuartige Elektroden und Polymerschutzschichten auf Lithium für die Li-S-Batterien entwickelt.
Ziel von FiberBat ist es, basierend auf den genannten Ergebnissen zur Elektrodenentwicklung für das Li-S-System, faserartige Anoden und Kathoden für eine neuartige flexible und kostengünstige Lithium-Schwefel-Zelle hoher Sicherheit und Umweltfreundlichkeit mit Hilfe materialeffizienter Verfahren unter Einsatz von Rohstoffen hoher Verfügbarkeit und Umweltfreundlichkeit zu entwickeln. Als Substrate, welche in der späteren Anwendung als Stromsammler dienen sollen, werden metallische und im späteren Projektverlauf auch nichtmetallische Drähte bzw. Fasern eingesetzt. Diese werden mit den Aktivmaterialien beschichtet und auf Basis oben genannter Projektergebnisse durch eine weiterentwickelte und den spezifischen Anforderungen des Konzepts angepasste Polymerschicht geschützt. Diese Schutzschicht erfüllt auf der Kathodenseite gleichzeitig auch die Separator-Funktion. Für die elektrochemische Charakterisierung und zu Demonstrationszwecken wird jeweils ein Kathoden-/Anoden-Paar in geeigneter Art und Weise, beispielsweise in Form eines Zwirns, hergestellt und in einen Schrumpfschlauch überführt, der mit Elektrolyt aufgefüllt wird.
Auf diese Weise wird eine fadenartige Zelle hergestellt, die die beste Integrierbarkeit in Smart Textiles bietet. Ein Vorteil bei diesem Konzept ist, dass im Falle eines lokalen Separatorversagens, beispielsweise durch übermäßige mechanische Beanspruchung, evtl. nur wenige, idealerweise nur ein Zellfaden betroffen ist, sodass ein interner Kurzschluss nur mit einer, im Vergleich zu klassischen Folienelektroden, geringen Reaktionsmasse und damit Energiefreisetzung verbunden ist, wobei die Diffusionswege für potentiell eindringenden Sauerstoff lang sind. Gleichzeitig ist durch das Gewebe auch eine bessere Wärmeabfuhr möglich, sodass es nicht zu einem Wärmestau innerhalb der Zelle kommen kann. Beide Aspekte reduzieren die Gefahr eines sogenannten Thermal Runaway und erhöhen die Sicherheit der Zelle deutlich.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben AiF 22793 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle+Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
