Gute Chancen für Lithium-Schwefel-Akkus

Die effi­ziente Speicherung elek­trischer Energie ist der Flaschen­hals für alle mobilen elek­tronischen Anwen­dungen. Gewicht und Kosten pro Kilowatt­stunde Speicher­kapazität der Batterie begrenzen maßgeb­lich den Einsatz­bereich eines Produktes. Für die Elektro­mobilität verursacht der Speicher beispiels­weise den Großteil der Gesamt­kosten des Fahrzeugs bei gleichzeitig einge­schränkter Reich­weite von etwa 150 km bei Voll-Elektro­autos mit Lithium-Ionen-Techno­logie. 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 Lithium-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 in den letzten drei Jahren geforscht.

Die Fraunhofer-Institute für Werkstoff- und Strahl­technik IWS, für Orga­nische Elektronik, Elektronen­strahl- und Plasma­technik FEP und für Verkehrs- und Infra­struktur­systeme IVI aus Dresden sowie das Fraun­hofer-Institut für Chemische Techno­logie ICT aus Pfinztal beschäf­tigten sich neben der Material­entwicklung auch mit skalier­baren Herstellungs­verfahren für Anoden und Kathoden als Rollenware und dem Aufbau von Batterie­modulen. Ziel ist es, die Lithium-Schwefel-Technologie für die Elektro­mobilität weiter zu erschließen.

Die Techno­logie zeichnet sich durch geringe Material­kosten und eine hohe Energie­dichte aus und könnte so eine attrak­tive Energie­speicher­lösung für zukünftige Mobilität dar­stellen. Die größte Heraus­forderung hierbei ist die geringe Zyklen­stabilität der Zellen: Li-S-Zellen erreichen zwar bereits heute bis zu 40 Prozent höhere Energie­dichten als die besten Li-Ionen-Zellen, können aller­dings 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. Holger Althues, Konsortial­führer und Leiter der Abteilung Chemische Ober­flächen- und Barriere­technik am Fraunhofer IWS, erläutert: „Mit dem Trockenfilm­verfahren des Fraunhofer IWS lassen sich die pulver­förmigen Aktiv­materialien ohne Einsatz von Lösungs­mitteln in hoch­kapazitive Elektroden verar­beiten.“ 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 vom 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.“

So wurden nach drei Jahren intensiver Forschungs­arbeit große Fort­schritte in der Lithium-Schwefel-Techno­logie für Energie­speicher gemacht, die unter anderem die Möglich­keit der Wieder­aufladung der Batterien um ein Vielfaches erhöht und die Herstellungs­kosten durch günstige Rolle-zu-Rolle-Fertigungs­verfahren erheblich senkt. Damit ist ein weiterer Schritt für den Einsatz dieser Energie­speicher zur Elektro­mobilität oder für Wearables getan.

Fh.-FEP / JOL