Sichere und effektive Energiespeicher der Zukunft: Lithium-Schwefel-Technologie

Lithium-Schwefel-Zell-Elektroden mit Silizium-Legierungs-Anoden.
Quelle: © Fraunhofer IWS
23.10.2017 Im Mai 2017 ist das von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderte Verbundprojekt LiScell erfolgreich beendet worden. Erforscht wurde die Lithium-Schwefel-Technologie, die mit geringen Materialkosten und hoher Energiedichte eine attraktive Energiespeicherlösung für die Mobilität der Zukunft sein könnte.

Die effiziente Speicherung elektrischer Energie ist der Flaschenhals für alle mobilen elektronischen Anwendungen. Gewicht und Kosten pro kWh Speicherkapazität der Batterie begrenzen maßgeblich den Einsatzbereich eines Produktes z.B. in der Elektromobilität. Dementsprechend groß ist der Bedarf an neuen Speichern mit höherer Energiedichte und geringen Kosten.

Lösung hierfür können neuartige Lithium-Schwefel-Batterien sein, bei denen zukünftig Energiedichten von bis zu 500 Wh/kg erwartet werden. Gleichzeitig wird bei dieser Technologie das teure Kathodenmaterial der Li-Ionen-Zellen durch kostengünstigen, ungiftigen und nahezu unbegrenzt verfügbaren Schwefel abgelöst.

An der Weiterentwicklung der Lithium-Schwefel-Batteriezellen auf der Basis neuer Kathoden, Elektrolyten und Anoden wurde im Rahmen des Verbundprojektes LiScell geforscht. Die Fraunhofer-Institute IWS, FEP, IVI und ICT beschäftigten sich neben der Materialentwicklung auch mit skalierbaren Herstellungsverfahren für Anoden und Kathoden als Rollenware und dem Aufbau von Batteriemodulen.

Die größte Herausforderung ist die geringe Zyklenstabilität der Zellen: Li-S-Zellen erreichen zwar bereits heute bis zu 40% höhere Energiedichten als die besten Li-Ionen-Zellen, können allerdings nur 50 bis 100-mal wiederaufgeladen werden. Zur Lösung wurde nun ein Zellkonzept auf Basis von Silizium-Legierungs-Anoden zur Substitution des metallischen Lithiums entwickelt, das bereits in Li-S- und Li-Ionen-Prototypzellen umgesetzt werden konnte. Dazu entstanden auch neue Lösungen für die Fertigung der Schwefelkathoden. Mit einem Trockenfilmverfahren lassen sich die pulverförmigen Aktivmaterialien ohne Einsatz von Lösungsmitteln in hochkapazitive Elektroden verarbeiten. In Sicherheitstest wurde gezeigt, dass die Li-S-Zellen einen deutlichen Vorsprung gegenüber herkömmlichen Energiespeichern haben, da sie eine hohe Toleranz gegenüber Überladung und thermischer Beanspruchung (> 300 °C) haben.

Um präzise Kenntnis von Lade- und Alterungszustand für den zuverlässigen zu erhalten, wurde eine geschickte Kombination von daten- und modellbasierten Bestimmungsmethoden für Ladung und Alterung erarbeitet.

Für ein geeignetes, kostengünstiges und effizientes Fertigungsverfahren wurde außerdem eine neue Vakuum-Beschichtungstechnologie entwickelt, mit dem Silizium-Schichten mit einer speziellen Mikrostruktur im Rolle-zu-Rolle-Verfahren beidseitig auf dünnen Stromkollektorfolien aus Kupfer abgeschieden werden können.

Kontakt: Annett Hausdorf , Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
Annett.Hausdorf@fep.fraunhofer.de