24.04.2023 • Energie

Weg zu stabilen Lithium-Schwefel-Batterien

Vom Bund gefördertes Projekt erforscht innovatives Batteriekonzept.

Eine neue Generation von Lithium-Schwefel-Batterien steht im Fokus des Forschungs­projekts „MaSSiF – Material­innovationen für Schwefel-Silizium-Festkörper­batterien“. Das Projektteam widmet sich dem Design, Aufbau und der Bewertung von leichten und kostengünstigen Prototyp­zellen auf Schwefelbasis mit hohen Speicher­kapazitäten. Der Einsatz von Silizium als Anodenmaterial soll zudem die Langlebigkeit der Batterie­zellen entscheidend verbessern. Das Bundes­ministerium für Bildung und Forschung fördert unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden sechs Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft mit einer Gesamtsumme von knapp 2,9 Millionen Euro. Der Startschuss für das Projekt fiel im Februar 2023.

Abb.: Leicht und kostengünstig: LiS-Batterien bieten hohe...
Abb.: Leicht und kostengünstig: LiS-Batterien bieten hohe Speicher­kapazitäten und geringe Materialkosten. (Bild: Fh.-IWS)

Feststoff­batterien auf Sulfidbasis gelten als mögliche Nachfolge­technologie für heutige Lithium-Ionen-Batterien und versprechen durch Ihre hohe Energie­dichte und Stabilität eine größere Reichweite sowie Sicherheit für den Einsatz in Elektro­fahrzeugen. Als besonders vielversprechend gilt die Kombination mit Schwefel als Kathoden­aktivmaterial. Ohne die kritischen Elemente Kobalt und Nickel, die in der Lithium-Ionen-Technik zum Einsatz kommen, erreicht Schwefel in Feststoff­batterien sehr hohe Energiedichten.

Große Heraus­forderungen bringt jedoch die Anode sowohl in der Verarbeitung als auch im Betrieb der Batterie mit sich. Ziel der aktuellen Forschungs­arbeiten ist es, metallisches Lithium als negative Elektroden in Feststoff­batterien einzusetzen. Die hohe Reaktivität des Lithiums begrenzt jedoch die Stabilität und Sicherheit solcher Zellsysteme. Im Rahmen des Projekts setzen die Projektpartner daher auf ein Anoden­material, das sich in aktuellen Forschungs­arbeiten auch im Einsatz in Feststoffbatterien als vielver­sprechende Alternative bewährt hat: Silizium. In der Kombination von Schwefel (bzw. Lithiumsulfid), einem Fest­elektrolyten und Silizium soll ein innovatives Zellkonzept entstehen, das geringe Materialkosten und hohe Energiedichte vereint.

Das Projekt „MaSSiF“ involviert Forschungs­einrichtungen und industrielle Hersteller aller notwendigen Schlüssel­komponenten zur Untersuchung der grundlegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sowie zur Verarbeitung und Auslegung von Komponenten und Zellen. Auf diese Weise sollen Batterie­zellen mit 350 Wattstunden pro Kilogramm und einer Lebensdauer von mehr als 300 Zyklen entstehen. Neben der hohen spezifischen Energie sollen sich dank günstiger, nachhaltiger Rohstoffe und einer kurzen, lokalen Lieferkette deutliche Kosten­vorteile gegenüber heutigen Li-Ionen-Batterien ergeben.

Fh.-IWS / JOL

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