Solide Spannung Jetzt kommt die Lithium-Schwefel-Feststoffbatterie

Das im Juli gestartete Projekt „SoLiS – Entwicklung von Lithium-Schwefel-Feststoffbatterien in mehrlagigen Pouchzellen“ will diese effiziente Batteriealternative industrietauglich machen.

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Aufgrund der hohen Speicherkapazitäten und der geringen Materialkosten, die der Schwefel mit sich bringt, ermöglicht diese Art der Zelltechnik potenziell den Aufbau sehr leichter und günstiger Batterien, erklären die Beteiligten. Unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) aus Dresden fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die insgesamt fünf Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft, mit einer Gesamtsumme von knapp 1,8 Millionen Euro. Hier nun mehr, zu dieser von besonderem Art Stromlieferant. Wenn alles klappt, könnte die Feststoffbatterie etwa den elektrischen Flugverkehr ermöglichen.

Im Labormaßstab schaut die Sache jedenfalls gut aus

Sogenannte Festelektrolyte stehen aktuell im Fokus der Batterieforschung, heißt es weiter. Denn sie gelten als gefahrlosere Alternative zu den konventionellen, weil leicht entzündlichen, Flüssigelektrolyten, die in Lithium-Batterien stecken. In einer Feststoffbatterie übernehmen die entweder anorganischen oder organischen Feststoffe den Transport von Lithium-Ionen, zwischen der positiven und der negativen Elektrode. In Kombination mit neuen Speichermaterialien könnten sie den Durchbruch zu sicheren Batteriezellen mit hoher Energiedichte bedeuten. Denn Flüssigelektrolyte führen in Lithium-Schwefel-Batterien oft auch zu unerwünschten Nebenreaktionen, die einer üblichen Zelle vorzeitig den Garaus machen können. Das ist der Grund, warum Festelektrolyte derzeit en vogue sind.

Und: Bisherige Forschungsergebnisse lassen hoffen! Denn im Labormaßstab ließ sich die grundlegende Machbarkeit einer Li-S-Feststoffbatterie bereits nachweisen, betonen die IWS-Forschenden. Jedoch existierten bisher zu wenig Daten zu praxisrelevanten Prototypzellen. Die Technologie also zu evaluieren, war noch nicht möglich.

Ein Quintett aus Spezialisten arbeitet an der idealen Feststoffzelle

Die „SoLiS“-Projektpartner setzen sich nun zum Ziel, die besagten Batteriezellen mit mehreren Elektrodenlagen auf Basis der Li-S-Festkörpertechnologie zu entwickeln, um sie dann auch endlich anwendungsnah zu bewerten. Außer den Verfahren zur Verarbeitung und Herstellung soll auch die Nano- und Mikrostruktur der Elektroden komplett untersucht und optimiert werden, heißt es aus Dresden. Die Herausforderung bestehe darin, das Speichermaterial Schwefel mit elektrisch leitfähigem Kohlenstoff und den ionenleitenden Elektrolyten in engen Kontakt zu bringen. Dabei besteht eine der Kernanforderungen in der Fertigung erster Prototypzellen darin, die beteiligten Zellkomponenten in ausreichender Qualität und Quantität zu erzeugen. Dafür setzt das Projekt auf ein interdisziplinäres Team, mit Kompetenzen in der Entwicklung innovativer Materialien und Prozesse sowie in der elektrochemischen und strukturellen Charakterisierung, das sich wie folgt zusammensetzt:

• Das Fraunhofer-IWS übernimmt die Projektkoordination und bringt das Know-how zu innovativen Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Prototypzellen in das Projekt ein;

• Die Technische Universität Dresden arbeitet an den Kathoden-Komposit-Materialien und an einem geeigneten Elektrodendesign;

• Wissenschaftler der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster erforschen maßgeschneiderte Festelektrolyte und deren Transporteigenschaften;

• Die Justus-Liebig-Universität Gießen bringt ihre Kompetenz zur Charakterisierung von Grenzflächenphänomenen in Feststoffbatterien mit ein;

• Die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH übernimmt die Herstellung von Kohlenstoffadditiven respektive von industriell relevanten Kompositmaterialien.

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