Neue Lithium-Schwefel-Batterien für mehr Energie
Verglichen mit herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien haben Lithium-Schwefel-Batterien mehrere wichtige Vorzüge. So ist Schwefel leichter und reichlich vorhanden, mit höherer Energiekapazität und größerer Entladungstiefe. Nachteile sind allerdings die geringe elektrische Leitfähigkeit der Kathode und der irreversible Verlust an aktivem Material, wenn Lithium und Schwefel im Elektrolyten aufgelöst werden. Im EU-finanzierten Projekt EUROLIS (Advanced European lithium sulphur cells for automotive applications) entwickelten Wissenschaftler neue Methoden, um diese Mängel zu beheben. Durch Polysulfidreservoirs mit modifizierter Oberfläche sollten die Lithium-Schwefel-Kathoden stabilisiert werden. Die hohe Oberfläche gewährleistet eine schwache Adsorption der Polysulfidzwischenprodukte wie auch eine reversible Desorption, sodass kein aktives Material verschwendet wird. Um Oberflächeneffekte und Wechselwirkungen zwischen Elektrolyt und Schwefelkathodenmaterial besser zu verstehen, sind genauere Methoden zur Charakterisierung gefragt. EUROLIS entwickelte daher mehrere In- und Ex-situ-Werkzeuge, um Lithium-Schwefel-Batterien in verschiedenen Stufen der Ladung und Entladung zu analysieren und die elektrochemischen Eigenschaften von Lithium-Schwefel-Batterien besser zu beschreiben. Damit konnte die Polysulfidbildung und -diffusion bzw. -migration in verschiedenen Teilen der Lithium-Schwefel-Batterie besser kontrolliert werden. Eine Reihe verschiedener Kohlenstoffmaterialien wurde für Schwefel-Host-Strukturen verwendet und dabei analysiert, wie die Form des Kohlenstoffmaterials die elektrochemische Leistung der Batterie beeinflusst und die chemische Zusammensetzung zum Kapazitätsverlust beiträgt. Ein Schwerpunkt war auch die Entwicklung von Methoden für die großtechnische Herstellung. Ergebnis des Projekts sind Prototypen für drei Generationen von Lithium-Schwefel-Batterien. Separatoren, Lithiumgehalt und Elektrolytfüllung wurden für 12 Prototypen in einer Standardkonfiguration angepasst. Dann wurden Vergleichstests mit alternativen Lithium-Schwefel-Technologien durchgeführt: Kombination von lithiiertem Silizium in der Anode und Schwefel in der Kathode, Leistungsprüfung einer Durchflussbatterie mit dem Katholyten und schließlich Entwicklung einer Festkörperschwefelbatterie mit keramischem Separator. EUROLIS lieferte praktische Ansätze, um die chemischen Prozesse in Lithium-Schwefel-Batterien zu optimieren. Ihre hohe Energiedichte und relativ geringen Kosten prädestinieren Lithium-Schwefel-Batterien für Elektrofahrzeuge, um längere Fahrstrecken ohne Aufladen zurücklegen zu können.
Schlüsselbegriffe
Lithium-Schwefel-Batterien, Energiedichte, Elektrofahrzeuge, EUROLIS, Polysulfid
