DLR und Partner forschen an Calcium-Schwefel-Batterie

Das von der deutschen Bundesregierung mit 3 Millionen Euro geförderte und im September 2022 gestartete Verbundprojekt „CaSino“ soll das Potential von Calcium-Schwefel-Batterie als Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus ermitteln.

Das Projekt hat sich nun zum Ziel gesetzt, durch innovative Materialentwicklung wesentliche Fortschritte in Bezug auf Zyklenstabilität und Energiedichte von Calcium-Schwefel Batterien zu erreichen. An dem vom Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart koordinierten dreijährigen Projekt sind fünf Forschungseinrichtungen, zwei Industrieunternehmen sowie ein Industriebeirat beteiligt.

Damit wollen die Forschenden eine nachhaltige und sichere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien unter die Lupe nehmen. In diesem Zusammenhang spricht das DLR bei der Ca-S-Batterie von einer „Reihe von Vorteilen“, diese Zellchemie stelle die Forschenden aber auch vor Herausforderungen.

Denn um eine Alternative zu Lithium zu sein, muss ein Batteriematerial hohe Anforderungen erfüllen. Lithium vereint eine hohe Stromspeicherkapazität und Zellspannung mit schneller Ionenwanderung, was kompakte Batterien und ein schnelles Be- und Entladen ermöglicht. Lithium repräsentiere „in vielerlei Hinsicht das perfekte Element für eine elektrochemische Zelle“, so das DLR. Die Nachteile sind hingegen auch bekannt: Die Brandgefahr bei einem Kurzschluss, die begrenzten Lithium-Vorkommen mit umstrittenem Abbau und das aufwändige Recycling.

Calcium hingegen sei „im Vergleich 400-mal häufiger und daher kostengünstig, sowie weltweit und gleichverteilt verfügbar. Es besitzt wie Lithium eine hohe Speicherkapazität und Zellspannung und ist zudem sicherer in Bezug auf Kurzschlüsse, da Calcium im Betrieb keine typischen Dendriten ausbildet.“

Aber auch Calcium ist als Batteriematerial nicht ohne Nachteile – oder Herausforderungen für die Forschenden. Calcium ist sehr reaktiv und neigt daher zur Bildung von Oberflächenschichten, sei es bei Kontakt mit Luft oder Feuchtigkeit – oder auch mit dem verwendeten Elektrolyten in der Batterie. Ist die Calcium-Oberfläche oxidiert, blockiert sie die Ionendiffusion und verhindert so das effiziente Be- und Entladen. Daher nimmt die Entwicklung eines kompatiblen Elektrolyten in dem „CaSino“-Projekt eine Schlüsselfunktion ein. Zusätzlich werden laut dem DLR bei der Verwendung einer Schwefel-Kathode lösliche Polysulfide generiert, die die Ca-Anode ebenfalls blockieren können – auch das gelte es zu unterbinden.

Neben dem DLR sind als Forschungseinrichtung das KIT, das Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie (fem) in Schwäbisch Gmünd, das Naturwissenschaftliche und Medizinischen Institut (NMI) sowie das Institut für Elektrochemie der Universität Ulm beteiligt. Bei den Industriepartnern handelt es sich um die IoLiTec Ionic Liquid Technologies GmbH mit Hauptsitz Heilbronn, die auf ionische Flüssigkeiten spezialisiert ist. Die EurA AG ist eine europaweit tätige Technologie-, Innovations- und Nachhaltigkeitsberatung.
dlr.de