Feststoffbatterie vor Sprung in die industrielle Anwendung
Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien in mehrlagigen Pouchzellen.
Das im Juli 2021 gestartete Forschungsprojekt „SoLiS – Entwicklung von Lithium-Schwefel-Feststoffbatterien in mehrlagigen Pouchzellen“ zielt darauf ab, ein vielversprechendes Batteriekonzept aus der Grundlagenforschung in die industrielle Anwendung zu überführen. Dank hoher Speicherkapazitäten und geringer Materialkosten des Schwefels ermöglicht diese Zelltechnologie potenziell den Aufbau sehr leichter und kostengünstiger Batterien. Unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung fünf Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft mit einer Gesamtsumme von knapp 1,8 Millionen Euro. Die Forschungsergebnisse könnten zum Beispiel Anwendungen in der elektrischen Luftfahrt ermöglichen.
Festelektrolyte stehen aktuell im Fokus der Batterieforschung und gelten als sicherere Alternative zu den konventionellen, leicht entzündlichen Flüssigelektrolyten in Lithium-Batterien. In der Feststoffbatterie übernehmen diese entweder anorganischen oder organischen Feststoffe den Transport von Lithium-Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode. In Kombination mit neuen Speichermaterialien sind sie somit der Schlüssel zu sicheren Batteriezellen mit hoher Energiedichte. Denn Flüssigelektrolyte führen in Lithium-Schwefel-Batterien zu unerwünschten Nebenreaktionen, die bisher eine geringe Lebensdauer der Zellen zu Folge haben.
Daher stellt der Einsatz von Festelektrolyten einen vielversprechenden Lösungsansatz dar. Bisherige Forschungsergebnisse sind ermutigend: im Labormaßstab ließ sich die grundlegende Machbarkeit einer Li-S-Feststoffbatterie bereits nachweisen. Jedoch existieren bisher zu wenig Daten zu anwendungsrelevanten Prototypzellen, sodass es bisher noch nicht möglich ist, die Technologie zu evaluieren.
Die SoLiS-Projektpartner setzen sich daher zum Ziel, Batteriezellen mit mehreren Elektrodenlagen auf Basis der Li-S-Festkörpertechnologie zu entwickeln und anwendungsnah zu bewerten. Neben den Verfahren zur Verarbeitung und Herstellung soll auch die Nano- und Mikrostruktur der Elektroden ganzheitlich untersucht und optimiert werden. Die Herausforderung besteht darin, das Speichermaterial Schwefel mit elektrisch leifähigem Kohlenstoff und den ionenleitenden Elektrolyten in engen Kontakt zu bringen. Dabei besteht eine der Kernanforderungen in der Fertigung erster Prototypzellen darin, die beteiligten Zellkomponenten in ausreichender Qualität und Quantität herzustellen.
Dafür setzt das Projekt SoLiS auf ein interdisziplinäres Team mit Kompetenzen in der Entwicklung innovativer Materialien und Prozesse sowie in der elektrochemischen und strukturellen Charakterisierung. Das Fraunhofer-IWS übernimmt die Projektkoordination und bringt Know-how zu innovativen Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Prototypzellen in das Projekt ein. Die TU Dresden arbeitet an den Kathoden-Kompositmaterialien und einem geeigneten Elektrodendesign. Wissenschaftler der Uni Münster erforschen maßgeschneiderte Festelektrolyte und deren Transporteigenschaften für den neuen Batterietyp. Die Uni Gießen bringt ihre Erfahrung und Kompetenz zur Charakterisierung von Grenzflächenphänomenen in Feststoffbatterien ein. Und die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH übernimmt die Herstellung von Kohlenstoffadditiven und industriell relevanten Kompositmaterialien.
Fh.-IWS / RK
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