Ein EU-finanziertes Projekt arbeitet an der Entwicklung von drei Generationen von Lithium-Schwefel-Batterieprototypen (Li-S). Schafft man es, die Haupthindernisse zu überwinden, welche heute noch die Li-S-Batterielebensdauer verkürzen, sollte das den Weg hin zu vielversprechenden Anwendungen in der Fahrzeugindustrie bereiten.
Die Realisierung langlebiger Hochenergie-Speicherbatterien ist von
enormer wissenschaftlicher und technologischer Bedeutung. Ein Beispiel
ist die Li-S-Zelle, die im Vergleich zu herkömmlichen
Lithium-Ionen-Zellen eine höhere Energiedichte bei geringen Kosten zu
bieten hat. Trotz merklicher Fortschritte gibt es große
Herausforderungen hinsichtlich der breitangelegten Umsetzung. Dazu
gehören die geringe Eigenleitfähigkeit von Schwefel sowie unerwünschte
Moleküle, die vom Zerfall der Kathode herstammenden, sogenannten
Polysulfide, die sich in der Batterieelektrolytflüssigkeit lösen.
Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts "Advanced European lithium sulphur cells for automotive applications" (
EUROLIS)
versuchen die Forscher, die Li-S-Kathoden unter Einsatz von
Polysulfidreservoiren mit modifizierten Oberflächen zu stabilisieren.
Das vorgeschlagene System mit seiner großen Oberfläche soll eine
schwachen Adsorption von Polysulfidzwischenprodukten und außerdem die
umkehrbare Desorption ermöglichen. Das aktive Material wird somit
vollständig ausgelastet.
Um die Wirkung der Oberfläche und die Wechselwirkungen zwischen
Elektrolyt und Kathodengemischen auf Schwefelbasis umfassender verstehen
zu können, sind zuverlässige Charakterisierungsverfahren gefragt.
EUROLIS hat etliche verschiedene In-situ- und Ex-situ-Werkzeuge zur
Analyse von Li-S-Batterien in verschiedenen Stadien der Entladung und
Ladung entwickelt. Auf diese Weise konnte mehr Wissen über die
elektrochemischen Eigenschaften der Li-S-Batterie generiert werden.
EUROLIS griff auf diese Informationen zu, um die Polysulfidbildung sowie
die Diffusion bzw. Migration in die verschiedenen Teile der
Li-S-Batterie effektiv zu überwachen.
Spektroskopie im ultravioletten und sichtbaren (UV-VIS) Bereich und
die modifizierten Vier-Elektroden-Swagelok-Zellen könnten beim
quantitativen Nachweis von Polysulfiden im Separator sowie zur
Unterscheidung verschiedener Polysulfidtypen zum Einsatz kommen. Ein
weiteres Spektroskopiewerkzeug, die
Schwefel-K-Kanten-Röntgenabsorptionsspektroskopie, hat den Partnern die
qualitative und quantitative Identifizierung von Polysulfiden in der
Kompositkathode ermöglicht.
Man definierte die Elektrodenzusammensetzung, um die
Schwefelbeladung der positiven Elektrode zu maximieren. Separatoren,
Lithium- und Elektrolytfüllung wurden angepasst, um zwölf Prototypzellen
in einer Standardbauform herzustellen. Weitere Aktivitäten drehten sich
um eine Benchmarking-Alternative für Li-S-Technologien. Schwerpunkt
waren Festkörper- oder Polymerbatterien, da bei beiden die
Polysulfidmigration auf wirksame Weise verhindert werden kann.
Die EUROLIS-Aktivitäten trugen maßgeblich zur Entwicklung von
Know-how in Hinsicht auf die Herstellung von Li-S-Batterien bei.
Verbreitungsmaßnahmen finden auf der Projektwebsite sowie in Form von
Publikationen in von Experten begutachteten Fachzeitschriften und
Konferenzteilnahmen statt.
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