An einer neuen Generation von Lithium-Schwefel-Batterien forscht das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden im Projekt „MaSSiF“. Die Abkürzung steht für „Materialinnovationen für Schwefel-Silizium-Festkörperbatterien“. Mit weiteren Partnern arbeiten sie an leichten und kostengünstigen Prototypzellen auf Schwefelbasis mit hohen Speicherkapazitäten. Der Einsatz von Silizium als Anodenmaterial soll zudem die Langlebigkeit der Batteriezellen entscheidend verbessern. Das Bundesforschungsministerium fördert das Vorhaben mit einer Gesamtsumme von knapp 2,9 Millionen Euro.
Hohe Energiedichte und geringe Materialkosten vereinen
Feststoffbatterien auf Sulfidbasis gelten als mögliche Nachfolgetechnologie für heutige Lithium-Ionen-Batterien. Sie versprechen durch ihre hohe Energiedichte und Stabilität eine größere Reichweite sowie Sicherheit für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Als besonders vielversprechend gilt die Kombination mit Schwefel als Kathodenaktivmaterial. Ohne die kritischen Elemente Kobalt und Nickel, die in der Lithium-Ionen-Technik zum Einsatz kommen, erreicht Schwefel in Feststoffbatterien sehr hohe Energiedichten. Große Herausforderungen bringt jedoch die Anode sowohl in der Verarbeitung als auch im Betrieb der Batterie mit sich. Ziel der aktuellen Forschungsarbeiten ist es, metallisches Lithium als negative Elektroden in Feststoffbatterien einzusetzen. Die hohe Reaktivität des Lithiums begrenzt jedoch die Stabilität und Sicherheit solcher Zellsysteme. Die Projektpartner setzen daher auf ein Anodenmaterial, das sich in Forschungsarbeiten auch in Feststoffbatterien als vielversprechende Alternative bewährt hat: Silizium. In der Kombination von Schwefel bzw. Lithiumsulfid, einem Festelektrolyten und Silizium soll ein innovatives Zellkonzept entstehen, das geringe Materialkosten und hohe Energiedichte vereint.
Effizienzvorteile im Verbund erzielen
Das Projekt „MaSSiF“ involviert Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen zur Untersuchung, Verarbeitung und Auslegung aller notwendigen Schlüsselkomponenten. Auf diese Weise sollen Batteriezellen mit 350 Wattstunden pro Kilogramm und einer Lebensdauer von mehr als 300 Zyklen entstehen. Neben der hohen spezifischen Energie erwarten die Partner dank günstiger Rohstoffe und einer lokalen Lieferkette deutliche Kostenvorteile gegenüber heutigen Li-Ionen-Batterien.
Im Vorhaben übernimmt das Fraunhofer IWS die Projektkoordination. Zudem bringt es Know-how zu innovativen Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Prototypzellen ein. Das Fraunhofer IFAM entwickelt optimierte Separatoren für die Lithium-Schwefel Batteriezelle auf Basis der erforschten Festelektrolyte. Forschende der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster untersuchen maßgeschneiderte Festelektrolyte und deren Transporteigenschaften für den neuen Batterietyp. Die AMG Lithium GmbH entwickelt und produziert sulfidische Festkörperelektrolyte und neue Kathoden-Aktivmaterialien basierend auf Lithiumsulfid. Die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH übernimmt die Herstellung von Kohlenstoffadditiven bzw. industriell relevanten Kompositmaterialien.
