Kurzbeschreibung des Teilprojektes

• Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von kostengünstigen und zyklenstabilen Kathoden für die Magnesium-Schwefel-Batterie
• elektrochemische Charakterisierung in Laborzellen und Pouchzellen im VDA-Format
• Modellierung und Simulation der Elektrodenprozesse und Batterie
• 3D-Simulationsstudien in strukturierten Elektroden
• anwenderspezifische Belastungstests der Batterien

Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Das wissenschaftliche und technische Arbeitsziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung und Charakterisierung von neuen Kathoden für den Einsatz in Magnesium-Schwefel-(MgS-)Batterien, von der Anwendung in Laborzellen bis hin zu VDA-Pouchzellengröße – begleitet von theoretischen Modellierungs- und Simulationsaktivitäten. Ein besonderes Augenmerk soll auf die Erhöhung der Speicherkapazität und Zyklenstabilität gelegt werden.

Ziel der experimentellen Arbeiten ist die Entwicklung einer für die Magnesium-Schwefel-Batterie geeignete Kathode. Ein generelles Problem der Schwefel-Kathoden entsteht durch die Löslichkeit der beim Zyklieren als Zwischenprodukt vorkommenden Polysulfide im Elektrolyten. Die Diffusion der Polysulfide von der Kathode zur Anode führt zu einem Kapazitätsverlust in der Zelle, da das diffundierte Polysulfid nicht mehr als Aktivmaterial in der Kathode zur Verfügung steht. Weiterhin bilden die Endprodukte des Entlade- und Ladeprozesses isolierende Schichten, die zur Degradation der Batterie führen. Als Aktivmaterial wird Schwefel verwendet, die zweite Komponente ist Kohlenstoff, der in verschiedenen Konfigurationen zum Einsatz kommen kann. Die Optimierung der Schwefelkathoden hängt von der Art und Weise ab, wie Schwefel und Kohlenstoff miteinander zu einer Kompositelektrode kombiniert werden.

Ziel der theoretischen Arbeiten ist die Entwicklung und Implementierung von detaillierten physikalischen Transport- und Reaktionsmodellen. Basierend auf thermodynamischen Grundlagen soll zunächst ein Transportmodell für Magnesium-Elektrolyte entwickelt werden. Dieses unterscheidet sich von den bisher entwickelten Modellen für Lithium-Schwefel-Batterien, da Magnesium zweifach positiv geladen ist. Die Transportvorgänge sind eng gekoppelt mit den Reaktionen, die in der Batterie ablaufen. Daher ist ein weiteres Ziel des Teilvorhabens eine detaillierte Analyse und Beschreibung des Reaktionsmodells. Dieses soll sowohl die Reaktionen des Schwefels an der Kathode als auch eine Beschreibung der Magnesium-Anode beinhalten. Die entwickelten Modelle können in einem verständnisbasierten Ansatz dazu verwendet werden, die Elektroden- und Zellentwicklung in allen Stadien des Projektes zu unterstützen und weiter voranzutreiben. Die Arbeiten erfolgen in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Gruppen. Dies garantiert den optimalen Einsatz der vorhandenen Ressourcen.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte in diesem Teilprojekt sind die Synthese, Charakterisierung in Laborzellen, Modellierung von Kathoden für die Magnesium-Schwefel-Batterie und Charakterisierung in Pouchzellen im VDA-Format.

Ein generelles Problem der Schwefel-Kathoden entsteht durch die Löslichkeit der Polysulfide im Elektrolyten, die beim Zyklieren als Zwischenprodukt vorkommenden. Die Diffusion der Polysulfide von der Kathode zur Anode führt zu einem Kapazitätsverlust in der Zelle, da das diffundierte Polysulfid nicht mehr als Aktivmaterial in der Kathode zur Verfügung steht. Weiterhin bilden die Endprodukte des Entlade- und Ladeprozesses isolierende Schichten, die zur Degradation der Batterie führen.

Zur Verbesserung der Polysulfidretention und zur Erhöhung der Zyklenstabilität werden in diesem Teilprojekt hauptsächlich folgende Ansätze verfolgt:
• Additive für die Kathode: Hydrophile, anorganische Additive, wie Metalloxide, können die Polysulfide adsorbieren und als Polysulfid-Reservoir für das Schwefel-Kohlenstoff-Komposit dienen,
• Schutzschichten/Zwischenschichten: Einbringung einer Schicht zwischen Schwefel-Kathode und Separator, die als Diffusionssperrschicht für die Polysulfide zur Anode dient. Diese Schicht soll selektiv leitfähig für Magnesium-Ionen sein und die Gesamtenergiedichte nicht wesentlich verschlechtern.
• Bindemittel (BM): Austausch von konventionellem Polyvinylidenfluorid (PVDF) durch alternative Bindemittel, beispielsweise ionenleitfähige Polymere wie Nafion oder sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer. Elektrisch leitende BM können zusätzlich die Leitfähigkeit der Elektroden verbessern. Polyanilin (PANI) ist ein leitfähiges Polymer, das bei der Herstellung von S-PANI-Kompositen verwendet werden kann. PANI kann entweder als leitfähige Beschichtung für die Schwefelpartikel oder als leitfähige Matrix verwendet werden.
Die mit unterschiedlichen Additiven und nach verschiedenen Methoden hergestellte Kathoden werden in Halbzellen untersucht und die meistversprechenden an die Projektpartner zur Hochskalierung der Produktion weitergegeben.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die experimentellen Arbeiten werden durch Simulations- und Modellierungsaktivitäten begleitet. Ziel der Modellierung und Simulation ist es, nach Klärung der Reaktions- und Transportmechanismen in den Elektroden und dem Elektrolyt durch Zellsimulationen das Design einer effizienten Mg-S-Batterie zu unterstützen. Basierend auf den umfangreichen Vorarbeiten im Bereich der Modellierung von Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien sollen detaillierte Modelle von Magnesium-Schwefel-Batterien entwickelt werden, welche es erlauben, experimentelle Beobachtungen zu interpretieren und verschiedenen Prozessen in der Batterie zuzuweisen. Dieser Erkenntnisgewinn ist ein wichtiges Element des nachfolgenden Upscaling-Schrittes und verbindet damit die Arbeiten im Labor mit der Zellfertigung im industriellen Maßstab.

Insbesondere wird hier kurzfristig die Basis zur wissensbasierten Optimierung von Zusammensetzung und Struktur der Elektroden gelegt, die schwerpunktmäßig durch nationale und internationale Schutzrechte geschützt werden sollen. So werden Schlüsselparameter identifiziert, die im Herstellungsprozess für eine erhöhte Leistung, einen besseren Wirkungsgrad und Langlebigkeit verantwortlich sind. Darüber hinaus werden mittelfristig die Projektergebnisse in ein Gesamtkonzept einer Magnesium-Schwefel-Batterie überführt und deren Potenzial für die Elektromobilität und weitere Anwendungen quantifiziert.

Die beteiligten Projektpartner verfügen über das nötige Know-how und die Herstellanlagen, um im Anschluss des Projekts vielversprechende Ansätze zu Funktionsmustern zu entwickeln und auch die Herstellung und somit den gesamten vertikalen Herstellungsprozess am Standort Deutschland durchführen zu können. Es sind auf jeden Fall Erkenntnisse zu erwarten, die nicht nur für Batterien für den mobilen Bereich, sondern auch für andere Anwendungen aus dem Bereich der regenerativen Energiespeicherung genutzt werden können.

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2016 bis 31.12.2018
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.980.365,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Ziel des Verbundprojektes „Entwicklung und Herstellung von wieder aufladbaren Magnesium-Schwefel-Batterien (MagS)“ ist die Demonstration der Leistungsfähigkeit einer neuen reversiblen Energiespeichertechnologie auf der Basis von Magnesium und Schwefel in einer Industrie-kompatiblen Batteriezelle. Dazu ist es erforderlich, materialwissenschaftliche Studien durchzuführen, um die Performance einer im Labormaßstab bereits erfolgreich demonstrierten ersten Vollzelle weiter zu verbessern.

Experimentelle Untersuchungen und theoretische Studien sollen wichtige Erkenntnisse zum Mechanismus der kaum untersuchten Magnesium-Schwefel-Reaktion in einem neuartigen Elektrolyten liefern und Wechselwirkungen der beteiligten Materialien und deren Alterungsverhalten klären. Die Erkenntnisse fließen direkt in die Entwicklung erster Pouchzellen dieses Typs ein. Hierfür wurde ein spezifiziertes VDA-Format mit einer Dimension von 121 mm · 243 mm · x mm ausgewählt. Die Zellen werden nach anwenderspezifischen Vorgaben getestet und von Industriepartnern in MagS bewertet.

Durch die Zusammenstellung des Konsortiums sind Institutionen und Unternehmen beteiligt, welche die gesamte Entwicklungskette nahtlos abdecken. Darüber hinaus planen speziell die kleinen und mittelständischen Verbundpartner sowohl Einzelkomponenten der entwickelten Zellen in konstanter Qualität als auch neuartige Testmaterialien für die Magnesium-Schwefel-Zellchemie anzubieten, um einerseits eine nachhaltige Forschung im Bereich neuer Zellchemien zu ermöglichen und andererseits der aktuellen Abwanderung von Batterie-Know-how vom Standort Deutschland entgegenzuwirken.

Trotz der offensichtlichen Vorteile von Mg-Metallbatterien sind bei der Entwicklung von wieder aufladbaren Mg-Batterien noch einige technische Herausforderungen zu lösen, insbesondere neue Elektrolyt- und Kathodenformulierungen. Eine Erhöhung der Sicherheit großformatiger Zellen und eine weitere Reduktion der Kosten sind dabei zentrale Stellhebel für eine breitere Anwendung dieser Technologie im Fahrzeugmarkt und in stationären Anwendungen.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Entsprechend der Zielsetzung ist das Vorhaben ausgesprochen multidisziplinär. Es umfasst chemische, elektrochemische, materialwissenschaftliche, analytische, prozess- und systemtechnische sowie anwendungsorientierte Fragestellungen. Die gute Übertragbarkeit von neuen Entwicklungen, aus dem Labor in das Produktportfolio eines Unternehmens, wird diesem Vorhaben besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da der Bereich der reinen Laborentwicklung (DLR und KIT) durch ein Unternehmen (El-Cell) begleitet wird, ebenso wie die angewandte Forschung (Fraunhofer ISIT) durch den Ramp-up-Partner (CCI) begleitet wird. Die Bewertung der Ergebnisse und die Evaluierung der Demonstratoren werden schlussendlich von der anwendenden Industrie (Schaeffler) geleistet.

Der in diesem Vorhaben eingeschlagene Lösungsweg fängt bei Grundlagenuntersuchungen zu Elektrodenmaterialien und Elektrolyten an und endet, nach industrienaher und -kompatibler Herstellung von Pouch-Zellen in definierten Anwendungen. Wie schon im Abschnitt zum Stand der Technik dargelegt wurde, sind bisher in der Literatur wenige Veröffentlichungen zu diesem Thema bekannt. Aufgrund dieser Tatsachen ist ein substanzieller Arbeitsaufwand für Grundlagenuntersuchungen vorgesehen, welche sich mit der Synthese und Charakterisierung von Batteriekomponenten widmen. Der in fünf Arbeitspakete gegliederte Arbeitsplan bildet die verschiedenen Entwicklungsschritte bis zur Herstellung von Pouchzellen und deren Tests sowie das Ineinandergreifen der Beiträge der verschiedenen Partner aus dem Verbundprojekt ab.

In der ersten Phase wird die Entwicklung und Bereitstellung von geeigneten Ausgangsmaterialien und Batteriekomponenten für Labor- und Pouchzellen durchgeführt, welche in dem nächsten Schritt untersucht und grundlegend charakterisiert werden. Die Entwicklungsarbeiten im Labor werden von theoretischen Arbeiten, welche insbesondere die Wechselwirkung des Elektrolyten auf der atomaren Skala sowie die Beschreibung der Vorgänge in der Vollzelle im Mikrometerbereich zum Ziel haben begleitet. Die entwickelten Pouchzellen werden anwenderspezifischen Belastungstests unterzogen, die Entwicklungsergebnisse des Projekts werden abschließend von den beteiligten Industriepartnern bewertet.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die im Vorhaben durchgeführten Arbeiten zu den Grundlagen von Magnesium-Schwefel-Batterien sind noch in einem vorwettbewerblichen Stadium. Im Vorhaben werden die wissenschaftlichen und fertigungstechnischen Grundlagen für ein vertieftes Verständnis von MgS-Batterien erarbeitet.

Durch die breite Vorgehensweise bei der Auswahl und Synthese von Batteriekomponenten ergeben sich große Chancen, völlig neue Ansätze für eine Realisierung von Metall-Schwefel-Batterien zu ermitteln, die durch Schutzrechte geschützt werden können. Für die Herstellung von Elektroden, Laborzellen und Pouchzellen werden Verfahren genutzt, die in der Lithium-Ionen-Batterietechnik erprobt sind und sich im Erfolgsfall hochskalieren lassen. Dies würde im Erfolgsfall zu einem deutlichen Wettbewerbsvorteil des Standortes Deutschland führen. Die beteiligten Unternehmen verfügen über das nötige Know-how und die Anlagen, um im Anschluss des Projektes vielversprechende Ansätze zu Funktionsmustern zu entwickeln.

Im Erfolgsfall ergeben sich unmittelbare industrielle Verwertungsperspektiven, die durch die Anwesenheit und Beteiligung von Unternehmen und KMU im Vorhaben direkt umgesetzt werden können. Auf diese Weise kann sich ein technologischer Vorsprung für die deutsche Wirtschaft ergeben. Das Unternehmen Custom Cells hat ein Interesse daran, Komponenten der entwickelten Demonstratorzellen (z. B. Anoden- oder Kathodenelektrodenfolien oder das Elektrolytsystem) im Rahmen der CCI-Produktlinie „F&E-Referenzmaterialien“ einem breiten Kundenstamm anzubieten und wird die weitere Skalierung und Verbreitung dieser potenziell sehr leistungsfähigen Technologie auch direkt stark fördern, da CCI das Leistungsprofil der neuen Magnesium-Schwefel-Technologie im Projektergebnis gut abschätzen lernt, um bei Kundenanfragen sehr schnell zu erkennen, ob das Technologieprofil mit dem Anforderungsprofil der Kundenanfragen zur Deckung gebracht werden kann. Da CCI regelmäßig mit extremen Kundenanforderungen konfrontiert ist, wird die Einsetzbarkeit der neuen Technologie in bestimmten Nischen als wahrscheinlich betrachtet. Darüber hinaus wird die weitere Skalierung und Kommerzialisierung der neuartigen Magnesium-Schwefel-Zellen in Anwendungen zusammen mit dem Projektpartner Schaeffler geprüft.

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Schwefel (nicht thermal)

Anwendungsfelder

mobil, noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, Industrie

schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt

Teilprojektleiter

Herr Dr. Norbert Wagner
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. - Institut für Technische Thermodynamik
Pfaffenwaldring  38-40
70569 Stuttgart

Telefon: +49 711 6862-631
E-Mail: norbert.wagner@dlr.de

Verbundprojektleiter

Herr Dr. Norbert Wagner
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Technische Thermodynamik
Elektrochemische Energietechnik
Pfaffenwaldring 38-40
70569 Stuttgart
Telefon: +49 711 6862-631

Pressekontakt für Teilprojekt

Frau Sabine Winterfeld
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. - Institut für Technische Thermodynamik
Pfaffenwaldring 38-40
70569 Stuttgart
Telefon: +49 711 6862-513
Fax: +49 711 6862-748
E-Mail: sabine.winterfeld@dlr.de

Pressekontakt für Verbundprojekt

Frau Sabine Winterfeld
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. - Institut für Technische Thermodynamik
Pfaffenwaldring 38-40
70569 Stuttgart
Telefon: +49 711 6862-513
Fax: +49 711 6862-748
E-Mail: sabine.winterfeld@dlr.de

Typ	Inhalt	Aktion
Dateien des Verbundprojektes
Link	Link zur Verbundprojektwebsite	Öffnen
pdf	MagS Projektsteckbrief	Download