Mit dem im Juli 2021 gestarteten Forschungsprojekt „SoLiS – Entwicklung von Lithium-Schwefel Feststoffbatterien in mehrlagigen Pouchzellen“ unter Federführung des Fraunhofer IWS Dresden soll ein vielversprechendes Batteriekonzept aus der Grundlagenforschung in die industrielle Anwendung überführt werden. Dank hoher Speicherkapazitäten und geringer Materialkosten des Schwefels ermöglicht diese Zelltechnologie potenziell den Aufbau sehr leichter und kostengünstiger Batterien.
Festelektrolyte stehen aktuell im Fokus der Batterieforschung und gelten als sicherere Alternative zu den konventionellen, leicht entzündlichen Flüssigelektrolyten in Lithium-Batterien. In der sogenannten Feststoffbatterie übernehmen diese entweder anorganischen oder organischen Feststoffe den Transport von Lithium-Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode. In Kombination mit neuen Speichermaterialien sind sie somit der Schlüssel zu sicheren Batteriezellen mit hoher Energiedichte. Denn Flüssigelektrolyte führen in Lithium-Schwefel-Batterien zu unerwünschten Nebenreaktionen, die bisher eine geringe Lebensdauer der Zellen zu Folge haben. Daher stellt der Einsatz von Festelektrolyten einen vielversprechenden Lösungsansatz dar. Bisherige Forschungsergebnisse sind ermutigend: im Labormaßstab ließ sich die grundlegende Machbarkeit einer Li-S-Feststoffbatterie bereits nachweisen. Jedoch existieren bisher zu wenig Daten zu anwendungsrelevanten Prototypzellen, sodass es bisher noch nicht möglich ist, die Technologie zu evaluieren.
Ziel: Anwendungsnaher Nachweis
Die SoLiS-Projektpartner setzen sich daher zum Ziel, Batteriezellen mit mehreren Elektrodenlagen auf Basis der Li-S-Festkörpertechnologie zu entwickeln und anwendungsnah zu bewerten. Neben den Verfahren zur Verarbeitung und Herstellung soll auch die Nano- und Mikrostruktur der Elektroden ganzheitlich untersucht und optimiert werden. Die Herausforderung besteht darin, das Speichermaterial Schwefel mit elektrisch leifähigem 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 herzustellen. Dafür setzt das Projekt SoLiS auf ein interdisziplinäres Team mit Kompetenzen in der Entwicklung innovativer Materialien und Prozesse sowie in der elektrochemischen und strukturellen Charakterisierung. Das Fraunhofer IWS übernimmt die Projektkoordination und bringt Know-how zu innovativen Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Prototypzellen in das Projekt ein. Die Technische Universität Dresden arbeitet an den Kathoden-Kompositmaterialien und einem geeigneten Elektrodendesign. Wissenschaftler der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster erforschen maßgeschneiderte Festelektrolyte und deren Transporteigenschaften für den neuen Batterietyp. Die Justus-Liebig-Universität Gießen bringt ihre Erfahrung und Kompetenz zur Charakterisierung von Grenzflächenphänomenen in Feststoffbatterien ein. Die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH übernimmt die Herstellung von Kohlenstoffadditiven bzw. industriell relevanten Kompositmaterialien.
