Forschungsprojekt zur Haltbarkeit von Li-S-Zellen

Lithium-Schwefel-Akkus haben deutlich höhere Energiedichten als konventionelle Lithium-Ionen-Akkus, altern allerdings sehr rasch. Nun hat ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin im Rahmen des vom Bund geförderten Projektes „HiPoLiS“ erstmals Li-S-Akkus im industrierelevanten Pouchzellen-Format mit unterschiedlichen Elektrolyten untersucht.

An der Studie waren auch Teams der TU Dresden sowie des Fraunhofer-IWS beteiligt. Dafür haben die Forschenden eine spezielle Messzelle entwickelt, um Faktoren wie Impedanz, Temperatur, und Druck zu verschiedenen Zeitpunkten zu erfassen und mit radiographischen Aufnahmen kombinieren zu können.

In der Auswertung konnte so nachvollzogen werden, wie sich der Elektrolyt auf die Bildung von unerwünschten Schwefelpartikeln und Polysulfiden auswirkt, wie das Helmholtz-Zentrum Berlin mitteilt. Mit zunehmender Anzahl von Ladezyklen verändert sich das aktive Material, die metallische Lithiumanode korrodiert, die Kapazität sinkt rasch – die Zelle altert.

Mit „innovativen Elektrolyten und raffinierten Additiven“ wollen die Forscherteams versuchen, die Alterung zu bremsen. Ein Vorgehen, dass in der Forschung üblich ist. Sein Vorgehen mit Additiven hat der renommierte Batterieforscher Jeff Dahn auch kürzlich in einem Vortrag beschrieben.

Wichtig beim HZB-Ansatz ist auch das gewählte Zellformat: Bisher seinen die Untersuchungen an Li-S-Zellen vor allem an Knopfzellen durchgeführt worden. Für die Anwendung in BEV sind aber bekanntlich Rundzellen, prismatische Zellen oder Pouchzellen relevanter. Das HZB um Sebastian Risse hat sich dabei für die weit verbreitete Pouchzelle entschieden. „Wir müssen zunächst die Prozesse in monolagigen Zellen verstehen, bevor wir auch mehrfache Lagen in Pouchzellen wissensbasiert optimieren können“, so Risse.

Der große Unterschied: In den Knopfzellen findet die Reaktion quasi im Elektrolyt getränkt statt. Pouchzellen benötigen im Vergleich zu Knopfzellen nur wenig Elektrolyt, um den Ladungstransport zu gewährleisten. Alle elektrochemischen Prozesse finden daher unter deutlich trockeneren Bedingungen statt. „Der notwendige Elektrolytmangel wirkt sich auf diese Prozesse sehr stark aus und muss daher direkt in einem industriell relevanten Zellformat untersucht werden“, sagt Risse.

Für die Studie haben die Forscher  Auswertungen der Messdaten mit den Analysen der Röntgenradiographie kombiniert. „So konnten wir Aussagen über die Bildung und Ablagerung von Schwefelpartikeln und Polysulfiden im Lauf der Ladezyklen treffen“, sagt Dr. Rafael Müller, der als Postdoc in der Elektrochemie-Gruppe von Risse forscht. Dabei zeigte sich auch, wie stark der Einfluss des genutzten Elektrolyten auf die Partikelbildung ist.

Pouchzellen kommen zwar auch in BEV zum Einsatz, das direkte Ziel der Forscher ist allerdings ein anderes: Ein Ziel des HiPoLiS-Projektes ist es, die Reichweite einer Logistikdrohne des Projektpartners Wingcopter aus Darmstadt mit den verbesserten Pouchzellen aus Dresden zur erhöhen. Das Fraunhofer IWS produziert hierfür Li/S Zellen mit bis zu 40 Lagen, die dann in die bestehende Energieversorgung der Drohne integriert werden.
helmholtz-berlin.de