Kurzbeschreibung des Teilprojektes

• Einfluss der Elektrolytmenge auf die Performance von Lithium-Schwefel-Zellen
• Identifizierung von Elektrolyt-Mindestmengen, Ansätze zur Reduzierung der Elektrolytmenge
• Qualifizierung und Quantifizierung der Elektrolytdekomposition in Lithium-Schwefel-Zellen
• Auswirkung verschiedener Membranen auf die Stabilisierung der Anodenoberfläche
• Verbesserung der Schwefelkathoden hinsichtlich hoher Schwefelausnutzung, hoher Beladung und Funktion bei geringen Elektrolytmengen bzw. unter Druck
• Entwicklung von Schutzschichten auf Separatoren für verbesserte Zellstabilität
• Entwicklung skalierbarer Prozesse für die Fertigung von beschichteten Separatoren, Anoden/Separator-Verbünden und Kathoden
• Herstellung eines Zellprototyps mit ionenselektiver, schützender Membran und optimiertem Zellgehäuse

Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Das Gesamtziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung zyklenstabiler Hochenergiebatteriezellen auf Basis der Lithium-Schwefel-(Li-S-)Chemie. Innovative Konzepte für die Zellkomponenten Separator und Kathode sowie Abstimmung der Komponenten im Gesamtzellkonzept stehen dabei im Vordergrund. Zersetzungsreaktionen an der Anode und die Auswirkung von Schutzschichten auf diese Form der Degradation werden grundlegend untersucht und bewertet. Auf Basis der Erkenntnisse und Ergebnisse werden skalierbare Prozesse zur Herstellung der Komponenten entwickelt und für den Aufbau von Prototypzellen eingesetzt.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Grundlagenforschung, Verständnis über Mechanismen in der Li-S-Batterie:
• Einfluss der Elektrolytmenge auf die Zellperformance,
• Identifizierung von Mindestmengen, Ansätze zur Reduzierung der Elektrolytmenge,
• Qualifizierung und Quantifizierung der Elektrolytdekomposition in Li-S Zellen,
• Auswirkung verschiedener Membranen auf die Stabilisierung der Anodenoberfläche.

Angewandte Forschung:
• Verbesserung der Schwefelkathoden hinsichtlich hoher Schwefelausnutzung, hoher Beladung und Funktion bei geringen Elektrolytmengen bzw. unter Druck,
• Entwicklung von Schutzschichten auf Separatoren für verbesserte Zellstabilität,
• Entwicklung skalierbarer Prozesse für die Fertigung von beschichteten Separatoren, Anoden/Separator-Verbünden und Kathoden.

Industrienahe Entwicklung:
• Herstellung eines Zellprototyps mit ionenselektiver, schützender Membran und optimiertem Zellgehäuse.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Mit den Arbeiten soll ein wesentlicher Betrag zur Entwicklung von zyklenstabilen Lithium-Schwefel-Zellen mit hoher gravimetrischer Energiedichte geleistet werden.

Durch die spezifischen Weiterentwicklungen in dem Projekt gewinnt die Fraunhofer Gesellschaft in folgenden Punkten:
• Li-S-Prototypzellen-Fertigung unter Trockenluft und formatflexibel,
• Evaluierung von Materialien und Komponenten für die Li-S-Technologie,
• Prozess und Materialentwicklung für Speicher der nächsten Generation,
• Spezial-Analytik für Speicher der nächsten Generation.

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2016 bis 31.12.2018
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 3.045.076,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 5.219.711,00 €

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Lithium-Schwefel-(Li-S-)Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus. Damit ist diese Zellchemie äußerst attraktiv für zukünftige Speicherlösungen, auch zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Größte Herausforderung stellt die geringe Lebensdauer der Zellen dar. Aktuelle Li-S-Prototyp-Zellen erreichen eine Energiedichte von 350 Wh/kg, degradieren aber innerhalb der ersten 50 Lade-/Entladezyklen deutlich, weshalb sie für einen Einsatz in der Elektromobilität bislang ungeeignet sind. Ein Grund für die geringe Zyklenstabilität sind Zersetzungsreaktionen an der Lithiummetall-Anode. Die Herausforderung besteht in der Entwicklung neuer Konzepte, durch die sich die Anode effektiv schützen und die Kontaktfläche zum Flüssigelektrolyten minimieren lässt.

Ziel des Vorhabens ist es daher, durch neue Komponenten und ein innovatives Zelldesign Lithium-Schwefel-Zellen mit drastisch erhöhter Stabilität zu entwickeln. So sollen neue Separatorkonzepte, verbesserte Kathoden und spezielle Gehäuse entwickelt und aufeinander abgestimmt werden. Die Evaluierung von Sicherheit und Performance erfolgt an 25-Ah-Prototypzellen.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Schwerpunkt neues Separatorkonzept:
• Entwicklung geeigneter Separatoren/Trägermembranen für die Li-S-Zelle,
• Entwicklung einer Separatorbeschichtung für höhere Zellstabilität,
• Entwicklung eines Fertigungskonzeptes für Separator-Anodenverbund.

Schwerpunkt verbesserte Kathoden:
• Untersuchungen zum verbesserten Verständnis von Zellreaktionen,
• Entwicklung geeigneter Kathoden für hohe Energiedichten auf Zellebene,
• Transfer verbesserter Kathoden-Rezepturen auf skalierbare Fertigungsprozesse.

Schwerpunkt Zellbau mit speziellen Gehäusen und Zelltests:
• Definition von Zielvorgaben und Zelltests hinsichtlich Automobilanwendung der Li-S-Batterie,
• Entwicklung geeigneter Gehäuse unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten und Besonderheiten der Li-S-Batterie,
• Herstellung von Hochenergie-Prototypzellen mit erhöhter Stabilität,
• Planung und Durchführung von Sicherheitstests an Li-S-Zellen,
• Anpassung bestehender Testmethoden für LIB an Li-S.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Mit Materialinnovationen im Bereich der Separatormembran, der Kathoden und Elektrolyte, sowie mit einem neuen Gehäusekonzept konnte die Zyklenstabilität der Li-S-Zellen entscheidend verbessert werden. Die Evaluierungsergebnisse an Prototypzellen ermöglichen eine realistische Bewertung der Li-S-Technologie hinsichtlich mobiler Anwendungen. So können das Potenzial, aber auch die Schwachstellen aufgezeigt und untersucht werden und für weitere Entwicklungsarbeiten als Grundlage dienen.

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Schwefel (nicht thermal)

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, Dienstleister, Industrie

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

Teilprojektleiter

Herr Dr. Holger Althues
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
Chemische Oberflächen- und Batterietechnik
Winterbergstr.  23
01277 Dresden
zum Internetauftritt

Telefon: +49 351 83391-3476
Fax: +49 351 83391-3300
E-Mail: holger.althues@iws.fraunhofer.de

Verbundprojektleiter

Herr Dr. Holger Althues
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon: +49 351 83391-3476
Fax: +49 3510 83391-3300

Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Marcus Forytta
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon: +49 351 83391-3614
Fax: +49 351 83391-3300
E-Mail: markus.forytta@iws.fraunhofer.de
zum Internetauftritt

Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Dr. Holger Althues
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon: +49 351 83391-3476
Fax: +49 3510 83391-3300
E-Mail: holger.althues@iws.fraunhofer.de

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