Projekt „LiScell“: Fraunhofer Institute verbessern Lithium-Schwefel-Batteriezellen

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Projekt LiScell
Quelle: Fraunhofer Gesellschaft

Forscher aus verschiedenen Fraunhofer Instituten haben im Rahmen des dreijährigen Verbundprojekts „LiScell“ Lithium-Schwefel-Batteriezellen weiterentwickelt. Nach Angaben der Fraunhofer-Gesellschaft gelang es ihnen unter anderem, die Möglichkeit der Wiederaufladung der Batterien um ein Vielfaches zu erhöhen und die Herstellungskosten durch günstige Rolle-zu-Rolle-Fertigungsverfahren erheblich zu senken. Damit sei ein weiterer Schritt für den Einsatz dieser Energiespeicher beispielsweise im Bereich der Elektromobilität getan.

Zellen aus Lithium-Schwefel (Li-S) erreichen bereits heute eine Energiedichte von bis zu 400 Wh je Kilogramm, was den Forschern zufolge 40 Prozent über der Energiedichte der besten Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ionen-Zellen) liegt. Zukünftig werden sogar Energiedichten von bis zu 500 Wh je Kilogramm erwartet. Zudem zeichnen sich Lithium-Schwefel-Zellen durch geringe Materialkosten aus. Die Herausforderung bestand aber bisher in der geringen Zyklenstabilität der Zellen, denn Lithium-Schwefel-Zellen können nur 50- bis 100-mal wiederaufgeladen und genutzt werden. Grund dafür sind Zersetzungsreaktionen des Elektrolyten an der Anoden-Oberfläche, die aus metallischem Lithium besteht.

Auf diese Herausforderung fokussierten sich die Wissenschaftler und entwickelten ein Zellkonzept auf Basis von Silizium-Legierungs-Anoden zur Substitution des metallischen Lithiums. Am Fraunhofer IWS konnte dieses neue Anoden- und Zellkonzept in Li-S- und Li-Ionen-Prototypzellen umgesetzt und demonstriert werden. Hier entstanden auch neue Lösungen für die Fertigung der Schwefelkathoden. „Mit dem Trockenfilmverfahren des Fraunhofer IWS lassen sich die pulverförmigen Aktivmaterialien ohne Einsatz von Lösungsmitteln in hochkapazitive Elektroden verarbeiten“, sagte Holger Althues, Konsortialführer und Leiter der Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik am Fraunhofer IWS.

Die Vorteile der Si-Anoden-Technik wurden in Sicherheitstests des Fraunhofer ICT herausgearbeitet: Li-S-Zellen haben einen deutlichen Vorsprung gegenüber herkömmlichen Energiespeichern: Sie besitzen eine hohe Toleranz gegenüber Überladung und thermischer Beanspruchung. Mit der Si-Anode konnte ein thermisches Durchgehen der Zellen selbst oberhalb 300 °C vermieden werden.

Eine präzise Kenntnis von Lade- und Alterungszustand bildet die Voraussetzung für den zuverlässigen Batteriebetrieb. Die konventionelle Ladezustandsbestimmung versagt jedoch bei dieser neuen Zelltechnologie. „In der geschickten Kombination von daten- und modellbasierten Bestimmungsmethoden für Ladung und Alterung liegt der Schlüssel für die praktische Anwendung“ ergänzt Ulrich Potthoff vom hierfür verantwortlichen Fraunhofer IVI.

Schließlich galt es, geeignete kostengünstige und effiziente Fertigungsverfahren zu erproben. „Mit einer neuen Vakuum-Beschichtungstechnologie konnten Silizium-Schichten mit einer speziellen Mikrostruktur im Rolle-zu-Rolle-Verfahren beidseitig auf dünnen Stromkollektorfolien aus Kupfer abgeschieden werden“, fasst Nicolas Schiller, Bereichsleiter „Flache und Flexible Produkte“, die Ergebnisse des Fraunhofer FEP zusammen. „Die Schichten erwiesen sich sowohl für Li-S-Zellen als auch für Li-Ionen-Zellen als geeignetes Anodenmaterial mit deutlichem Steigerungspotential hinsichtlich der Volumenenergiedichte gegenüber herkömmlichen Lösungen.“

An dem Forschungsvorhaben LiScell waren insgesamt vier Fraunhofer Institute beteiligt: das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP und das Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI. Das Projektvolumen belief sich auf 3,45 Mio. €. Nähere Informationen hier.

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