LISZUBA

Lithium-Schwefel-Feststoffbatterien als Zukunftsbatterie

Teilprojekt 1

Fertigung und elektrochemische Evaluation von Li-S-Festelektrolyt-Kathodenkompositen

Laufzeit: 01.07.2017 bis 30.06.2020

Fördersumme: 449.858,00 €

Projektvolumen: 449.858,00 €
 

ausführende Stelle:

Justus-Liebig-Universität Gießen, FB 08 - Biologie und Chemie - Chemie - Physikalisch-Chemisches Institut
Heinrich-Buff-Ring  17
35392 Gießen

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Justus-Liebig-Universität Gießen

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0115A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • elektrochemische Evaluation von Feststoffbatterien mit Schwefel-Kohlenstoff-Kathoden
  • Untersuchung des Grenzflächentransportes und der mechanischen Eigenschaften in Oxid-Sulfid-Festelektrolyt-Kompositen
  • Assemblierung und Optimierung einer festen Kathoden Halbzelle
  • Evaluation der geeignetsten Komponenten für die Kathode


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Leistungsfähige, sichere Batterien können der Elektromobilität zum konsequenten Durchbruch verhelfen da vollelektrische Fahrzeuge mit hoher Sicherheit, Reichweite und langer Lebensdauer attraktiv für den Endverbraucher sind. Die Lithium-Ionen-Technik ist hinsichtlich der erreichbaren Energiedichten bereits weit entwickelt, deckt aber noch nicht die aktuellen Anforderungen ab. Daher müssen neue Zellkonzepte systematisch erforscht werden. Wichtig ist dabei, zukünftige Zellkonzepte schon von Anfang an auf ihren optimalen und effizienten Verwendungszweck zu untersuchen.

Einerseits versprechen Ansätze wie Lithium-Schwefel- (Li-S-), aber auch Lithium-Festkörper-Batterien (Li-ASB) deutlich höhere Kapazitäten. Eine Li-S-Batterie mit einer Lithium-Metall-Anode weist hierbei hohe theoretische Kapazitäten von 2.800 Wh/L bzw. 2.500 Wh/kg auf. Im Vergleich dazu stellen aktuelle Lithium-Ionen-Batterien praktische Energiedichten von ca. 270 Wh/kg auf Zellebene bereit. Andererseits ist der Einsatz einer Li-ASB mit höherer Sicherheit, bei ggf. sogar niedrigeren Kosten, verbunden, da diese auslaufsicher und hochtemperaturstabil sind.

Ziel des Projektes ist es deshalb, eine Lithium-Schwefel-Feststoffbatterie zu entwickeln. Hierbei werden die Konzepte der Lithium-Schwefel-Batterie und der Feststoffbatterie kombiniert und die spezifischen Probleme beider „Muttertechnologien“ gezielt durch die Stärken der jeweils anderen kompensiert werden. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen letztlich Energie- und Leistungsdichte, Degradationsverhalten sowie Prozessierbarkeit für eine industrierelevante Hochskalierung.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die in LISZUBA geplanten Arbeiten adressieren die Herausforderungen der Li-S-Zellen mit Flüssigelektrolyten. Es soll im Rahmen des Projektes eine Li-S-Feststoffbatterie entstehen, die einen neuartigen Zellaufbau besitzt und diese Problemstellungen minimiert bzw. eliminiert, indem mit zwei verschiedenen Festelektrolytkomponenten gearbeitet wird. Auf der Seite der Kathoden wird die JLU Gießen Mikrostruktur und Architektur von Kohlenstoff/Schwefel-Kompositmaterialien optimal gestalten und mit den sehr leitfähigen und plastisch weichen Ionenleitern der Sulfide/Thiophosphate verknüpfen.

Ein Arbeitsschwerpunkt an der JLU Gießen liegt auf dem grundlegenden Verständnis dieser neuen Zelltechnologie. Die Vermischung von Aktivmaterial, Leitadditiv und Elektrolyt sowie die Porenverteilung werden einen starken Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Feststoffbatterien haben. Das Ziel dieses Teilvorhabens ist es, die optimale Partikelgröße, Porosität sowie Art des Leitkohlenstoffs zu ermitteln. Des Weiteren muss einerseits die Frage geklärt werden, welchen Einfluss das Aktivmaterial (Lithiumsulfid oder Cyclooctaschwefel) auf die Leistungseigenschaften hat.

Andererseits ist es wichtig den Grenzflächenwiderstand und die Ionenleitfähigkeit des Komposits aus stabilem Oxid (Li7La3Zr2O12) und unterschiedlichen Thiophosphat-Elektrolyten aufzuklären, um eine geeignete Kombination der Elektrolyte zu finden. Es ist wichtig, den Spannungsverlauf und die Grenzflächenwiderstände zu verstehen, um hohe Ströme bei niedrigen Überspannungen zu realisieren.

Des Weiteren wird die Volumenexpansion der Elektrodenmaterialien in Feststoffbatterien Auswirkungen auf die Langzeitstabilität haben. Aufgrund der Volumenexpansion und dem steigenden Druck sind die mechanisch weichen Thiophosphate als Elektrolyte geeignet. Weiter sind die elektrochemischen Stabilitätsfenster der Thiophosphate nicht ausreichend untersucht und es ist daher nicht eindeutig welche Elektrolyte eine ausreichende Langzeitstabilität einer LiS-ASB gewährleisten. Es ist daher wichtig den Einfluss unterschiedlicher Thiophosphate auf die Zyklierung, sowie die elastischen Eigenschaften der Komposite aufzuklären. Das abschließende Ziel dieses Teilvorhabens ist der Aufbau einer Festkörper Li-S-Vollzelle die als neues Zellkonzept evaluiert werden wird.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Batteriekonzepte wie die hier neu zu untersuchende LiS-ASB bedürfen noch umfangreicher vorwettbewerblicher Forschung im Bereich der Material- und Prozessentwicklung, um die technologische und industrielle Relevanz zu demonstrieren. Um eine qualifizierte Aussage über die Eignung eines neuen Konzeptes für die Elektromobilität zu treffen, müssen sowohl die erreichbaren, realen Energie- und Leistungsdichten auf Zell- und Modul-Ebene als auch die Skalierbarkeit der Synthese auf notwendige Prozessschritte und -methoden hin untersucht werden. Dabei müssen die verwendeten Systeme schon im Labormaßstab unter Berücksichtigung dieser Parameter optimiert werden, um ein sinnvolles Benchmarking mit herkömmlichen Systemen wie Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten. Diese Art der vorwettbewerblichen Forschung und Entwicklung von neuen Batteriekonzepten ist mit hohem Risiko behaftet, aber für Industrieunternehmen hochinteressant, da eine frühe Identifikation aussichtsreicher Kandidaten einen internationalen Wettbewerbsvorteil verspricht. Der hier skizzierte hybride Ansatz verbindet die Arbeitsfelder Lithium-Metall-Anode (hohe Energiedichte), Li-S (maßgeschneiderte Kathode) und ASB (Festkörperelektrolyt) in einem neuen Zellkonzept – die LiS-ASB – und stellt somit ein potenziell hochrelevantes Batteriesystem für die zukünftige Elektromobilität dar.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.07.2017 bis 30.06.2020
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.621.380,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 1.621.380,00 €

Teilprojekt 1: Fertigung und elektrochemische Evaluation von Li-S-Festelektrolyt-Kathodenkompositen

Förderkennzeichen: 03XP0115A

Justus-Liebig-Universität Gießen, FB 08 - Biologie und Chemie - Chemie - Physikalisch-Chemisches Institut
35392 Gießen

Teilprojekt 2: Anodenhalbzellen basierend auf Oxid-Keramik zur Verbesserung konventioneller Lithium-Schwefel-Batterien und Entwicklung neuartiger Li-S-Festkörperbatterien

Förderkennzeichen: 03XP0115B

Forschungszentrum Jülich GmbH - Institut für Energie- und Klimaforschung - Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
52425 Jülich

Teilprojekt 3: Operando-Tomographie-Untersuchungen an einer Festkörperelektrolyt-Batterie

Förderkennzeichen: 03XP0115C

Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften - Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien - Fachgebiet Struktur und Eigenschaften von Materialien - Sekr. EW2-3
10623 Berlin

Teilprojekt 4: Formulierung und Charakterisierung von Kompositmaterialien für Lithium-Schwefel-Festelektrolytkathoden sowie Festelektrolytpartikel für Lithium-Metall-Schutzschichten

Förderkennzeichen: 03XP0115D

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig
38106 Braunschweig

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Leistungsfähige, sichere Batterien können der Elektromobilität zum konsequenten Durchbruch verhelfen, da vollelektrische Fahrzeuge mit hoher Sicherheit, Reichweite und langer Lebensdauer attraktiv für den Endverbraucher sind. Die Lithium-Ionen-Technik ist hinsichtlich der erreichbaren Energiedichten bereits weit entwickelt, deckt aber noch nicht die aktuellen Anforderungen ab. Daher müssen neue Zellkonzepte systematisch erforscht werden. Wichtig ist dabei, zukünftige Zellkonzepte schon von Anfang an auf ihren optimalen und effizienten Verwendungszweck zu untersuchen.

Einerseits versprechen Ansätze wie Lithium-Schwefel- (Li-S-), aber auch Lithium-Festkörper-Batterien (Li-ASB) deutlich höhere Kapazitäten. Eine Li-S-Batterie mit einer Lithium-Metall-Anode weist hierbei hohe theoretische Kapazitäten von 2.800 Wh/L bzw. 2.500 Wh/kg auf. Im Vergleich dazu stellen aktuelle Lithium-Ionen-Batterien praktische Energiedichten von ca. 270 Wh/kg auf Zellebene bereit. Andererseits ist der Einsatz einer Li-ASB mit höherer Sicherheit, bei ggf. sogar niedrigeren Kosten, verbunden, da diese auslaufsicher und hochtemperaturstabil sind.

Ziel des Projektes ist es deshalb, eine Lithium-Schwefel-Feststoffbatterie zu entwickeln. Hierbei werden die Konzepte der Lithium-Schwefel-Batterie und der Feststoffbatterie kombiniert und die spezifischen Probleme beider „Muttertechnologien“ gezielt durch die Stärken der jeweils anderen kompensiert werden. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen letztlich Energie- und Leistungsdichte, Degradationsverhalten sowie Prozessierbarkeit für eine industrierelevante Hochskalierung.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die in LISZUBA geplanten Arbeiten adressieren Probleme der Li-S-Zellen mit Flüssigelektrolyten. Es soll im Rahmen des Projektes eine Li-S-Feststoffbatterie entstehen, die einen neuartigen Zellaufbau besitzt und diese Probleme minimiert bzw. eliminiert, indem mit zwei verschiedenen Festelektrolytkomponenten gearbeitet wird.

Auf der Seite der Kathoden wird die Mikrostruktur und Architektur von Kompositmaterialien optimal gestaltet und mit den schnellen und weichen Ionenleitern der Thiophosphate verknüpft. Auf der Anode wird eine dichte Deckschicht mit einem schnellen Lithium-Ionen-leitenden Oxid aufgebracht, das stabil gegenüber Lithium-Metall ist. Dabei wird der Übergang von der Anoden- zur Kathodenseite (oxidischer zu sulfidischer Lithium-Ionen-Leiter) durch Strukturierung der Oberflächen optimiert. Somit werden die Probleme der Thio-Elektrolyte auf der Anodenseite sowie die der mechanisch steifen Oxide auf der Kathodenseite behoben.

Dieser Festelektrolyt-Hybridansatz mit optimierter Kathodengeometrie ist höchst vielversprechend und innovativ, um die relevanten Kenndaten einer Batterie zu verbessern. Das Projektkonsortium spiegelt von der Material- und Prozesstechnologie die gesamte Bearbeitung wider, welche notwendig ist, um eine Evaluation dieses zukunftsträchtigen Batteriesystems für die Elektromobilität zu ermöglichen.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die aus dem Projekt hervorgehenden Erkenntnisse über den Aufbau und die industrielle Realisierbarkeit von Li-S-Feststoffbatterien sind essentiell für eine realistische Prognose dieser möglichen Technologie für die Elektromobilität und den Wirtschaftsstandort Deutschland. Die Prognose über die Erfolgsaussichten und Realisierbarkeit der Technologie ist kurz- bis mittelfristig möglich, ein Transfer zum Material und Zellentwickler ist als mittel- bis langfristig einzuschätzen. Deutsche Unternehmen können sich somit frühzeitig zu einer möglichen Li-S-Zellproduktion in Deutschland positionieren. Damit wird die deutsche Wirtschaft und insbesondere der komplette Wirtschaftszweig „Elektromobilität“ mit Erkenntnissen beliefert, die nachhaltig die Position des Standorts Deutschland auf diesem Gebiet sichern.


Galerie

Geplanter Aufbau der LIS-ASB mit Grenzflächenwiderständen

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Festkörper-Batterien, Metall-Schwefel (nicht thermal)

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

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


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Festkörper-Batterien Lithium Kathode Komposit Schwefel-Kohlenstoff

Festkörper-Batterien Lithium Anode Lithium-Metall

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch sulfidisch

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt keramisch oxidisch

Festkörper-Batterien Lithium Elektrolyt Zwei-Komponenten-Elektrolyt

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Kathode

Zelle Elektroden Kathode Additive Leitfähigkeitsadditive

Zelle Elektroden Kathode Aktivmaterial

Zelle Elektrolyt

Forschungsbereiche

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Demonstrator Testzelle

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elektrode Rezeptur

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elekrolytformulierung

Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Mikroskopie Rasterelektronen

Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Spektroskopie Pulse-Echo-Ultraschall-Spektroskopie

Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Röntgendiffraktometrie

Analytik und Charakterisierung Methode physikalisch Spektroskopie Röntgenphotoelektronenspektroskopie

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch galvanostatische Zyklisierung

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Impedanzspektroskopie

Analytik und Charakterisierung Methode (elektro-)chemisch Massenspektrometrie Sekundärionen (TOF-SIMS)

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Grenzflächen Grenzflächenwiderstand

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Ionenleitfähigkeit

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Stabilitätsgrenze chemische

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Stabilitätsgrenze mechanische

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojektleiter

Herr Dr. Wolfgang Zeier
Justus-Liebig-Universität Gießen
FB 08 - Biologie und Chemie - Chemie - Physikalisch-Chemisches Institut
Heinrich-Buff-Ring  17
35392 Gießen
zum Internetauftritt

Telefon: +49 641 99-34508
Fax: +49 641 99-34509
E-Mail: wolfgang.g.zeier@phys.chemie.uni-giessen.de


Verbundprojektleiter

Herr Dr. Wolfgang Zeier
Justus-Liebig-University Giessen
Physikalisch-Chemisches Institut
Heinrich-Buff-Ring 17
35392 Giessen
Telefon: +49 641 99-34508
Fax: +49 641 99-34509


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Dr. Wolfgang Zeier
Heinrich-Buff-Ring 17
35392 Giessen
Telefon: +49 641 99-34508
Fax: +49 641 99-34509
E-Mail: Wolfgang.G.Zeier@phys.chemie.uni-giessen.de


Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Dr. Wolfgang Zeier
Heinrich-Buff-Ring 17
35392 Giessen
Telefon: +49 641 99-34508
Fax: +49 641 99-34509
E-Mail: Wolfgang.G.Zeier@phys.chemie.uni-giessen.de

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