Multimodale Analyse von Lithium-Schwefel-Akkus

Lithium-Schwefel-Akkus haben theoretisch eine Energie­dichte von 2500 Wattstunden pro Kilogramm, die deutlich höher als in konven­tio­nellen Lithium-Ionen-Akkus ist.  Außerdem verwenden Li/S-Akkus im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus umwelt­freund­lichere Kathoden­materialien. Doch es gibt ein Problem bei Li/S-Akkus: Mit zunehmender Anzahl von Ladezyklen verändert sich das aktive Material, die metallische Lithiumanode korrodiert, die Kapazität sinkt rasch. Mit innovativen Elektrolyten und raffinierten Additiven wird versucht, diese Alterung zu bremsen. Bisher wurden jedoch vor allem Li/S-Akkus im Knopf­zellen­design untersucht, wo diese Reaktionen im Elektrolyten getränkt stattfinden.

Für die Industrie sind jedoch andere Formate wie Rundzellen, prismatische Zellen oder Pouchzellen von besonderem Interesse. In diesen Formaten ist die Elektrolyt­menge äußerst gering, was besonders hohe Energie­dichten ermöglicht. Am HZB wurden jetzt erstmals multimodale Operand- Unter­suchungen an Li/S-Pouchzellen durch­geführt. In Zusammen­arbeit mit Teams der TU Dresden und des Fraunhofer-IWS hat ein Team um Sebastian Risse einlagige Li/S-Zellen mit unter­schied­lichen Elektrolyten untersucht.

„Wir müssen zunächst die Prozesse in monolagigen Zellen verstehen, bevor wir auch mehrfache Lagen in Pouchzellen wissens­basiert optimieren können“, erläutert Risse. Für ihre Studie kombinierten die Forscher Auswertungen der Messdaten mit den Analysen der Röntgen­radiographie. „So konnten wir Aussagen über die Bildung und Ablagerung von Schwefel­partikeln und Polysulfiden im Lauf der Ladezyklen treffen“, sagt Rafael Müller vom HZB. Dabei zeigte sich auch, wie stark der Einfluss des genutzten Elektrolyten auf die Partikel­bildung ist.

In der multimodalen Messzelle, die Müller zusammen mit Risse entwickelt hat, befinden sich unter­schied­liche Sensoren: Sie erfassen die elektro­chemische Impedanz, die Temperatur, aber auch mechanische Kräfte auf den Elektroden. Zusätzlich wird die Pouchzelle während des gesamten Betriebs mit Röntgenlicht durch­leuchtet, um eine Radiographie zu erstellen, aus der sich auf die chemischen Abscheidungs­prozesse schließen lässt.

Um weitere Fortschritte auf Basis dieses Zellformats zu machen, wurde 2021 in der Abteilung Elektro­chemische Energie­speicherung des HZB ein Pouch­zellen­labor aufgebaut.  Zur Herstellung dieser Zellen werden rechteckige Elektroden in Scheck­karten­format aufeinander­gestapelt und von einer dünnen Separator­folie getrennt in eine versiegel­bare Tasche gesteckt. Pouchzellen benötigen im Vergleich zu Knopfzellen nur wenig Elektrolyt, um den Ladungs­transport zu gewähr­leisten. Alle elektro­chemischen Prozesse finden daher unter deutlich trockeneren Bedingungen statt. „Der notwendige Elektrolyt­mangel wirkt sich auf diese Prozesse sehr stark aus und muss daher direkt in einem industriell relevanten Zellformat untersucht werden“, betont Risse.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Müller et al.: Operando Radiography and Multimodal Analysis of Lithium–Sulfur Pouch Cells—Electrolyte Dependent Morphology Evolution at the Cathode, Adv. Energy Mat. 2022, 2103432 (2022); DOI: 10.1002/aenm.202103432
• Elektrochemische Energiespeicherung, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH