Auf dem Weg zu anwendungsnahen Lithium-Schwefel-Batterien

Lithium-Schwefel-Batterien zählen aufgrund der hohen Energiedichte und des kostengünstigen Aktivmaterials Schwefel zu den vielversprechendsten Post-Lithium-Ionen-Batteriesystemen. Im Verbundprojekt KovaLiS werden jüngste Materialentwicklungen in industriekompatible Prozesse überführt und anwendungsorientierte Demonstratorzellen aufgebaut. Ziel ist es, die Zuverlässigkeit von Lithium-Schwefel-Batterien zu verbessern, ihre Energiedichte zu steigern und potentielle Anwendungsmöglichkeiten zu ermitteln. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 1,6 Millionen Euro gefördert.

Ein Hauptproblem der bisherigen Lithium-Schwefel-Batterien ist die geringe Zyklenstabilität. In den letzten Jahren wurden daher viele Lösungsansätze verfolgt, um die maßgebliche Ursache für den Kapazitätsverlust und das frühzeitige Zellversagen, den Polysulfidshuttle, zu unterbinden. Es zeigte sich, dass die kovalente Bindung des Aktivmaterials Schwefel an ein Polymer besonders aussichtsreich ist. Bei gleichzeitiger Zyklenstabilität kann so eine hohe Kapazität sowie Ratenfähigkeit erzielt werden.

Allerdings verhindert der geringe Schwefelanteil des bis dato genutzten sulfurierten Poly(acrylnitril) (S-PAN) weitere Schritte in Richtung Kommerzialisierung. Nun entwickelte kürzlich das Institut für Polymerchemie der Universität Stuttgart (IPOC) ein neuartiges sulfuriertes Polymer, das auf besonders kostengünstigem Poly(propylen) (PP) basiert. Das sulfurierte Poly(propylen) (S-PP) zeichnet sich durch einen 50 % höheren Schwefelanteil als S-PAN und folglich potentiell höheren Energiedichte, eine hohe Ratenfähigkeit sowie stabiles Zyklenverhalten aus. Dieses Material wird nun zusammen mit anderen sulfurierten Polymeren im Rahmen des Projektes weiter verbessert und mittels energieeffizienter und industrierelevanter Prozesse skaliert.

Das Projektkonsortium besteht aus zwei Forschungseinrichtungen, einem Industrieunternehmen sowie drei assoziierten Projektbeteiligten und wird durch das Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR-TT) in Stuttgart während der dreijährigen Projektlaufzeit koordiniert.

Am DLR-Institut für Technische Thermodynamik wird das S-PP Material der Universität Stuttgart in Hochenergie-Lithium-Schwefel Pouchzellen mit optimierter Kathodenzusammensetzung und erhöhter Schwefelbeladung überführt. Dabei wird eine nachhaltige Kathodenherstellung auf Basis von wässrigen Dispersionen oder mittels Trockenbeschichtungsverfahren umgesetzt. Zusätzlich zur Optimierung von Benchmark-Flüssigelektrolyten wird das Institut für Polymerchemie der Universität Stuttgart zusammen mit der IoLiTec GmbH in situ polymerisierbare Gelelektrolyte untersuchen, welche die Sicherheit im Zellbetrieb erhöhen sollen.

Weiterhin sollen operando Charakterisierungen im Bereich elektrochemischer, mikroskopischer und spektroskopischer Methoden detaillierte Einblicke in die Zellprozesse liefern und es so ermöglichen Limitierungen zu identifizieren. Diese experimentellen Aktivitäten werden durch Modellierungsarbeiten am DLR-Institut für Technische Thermodynamik unterstützt. Dabei wird der Einfluss der Schwefelbeladung, Elektrodenarchitektur und -morphologie, sowie des Elektrolytvolumens auf die Reaktionskinetik und Schwefelausnutzung untersucht.

Durch die enge Kooperation des Projektkonsortiums bestehend aus DLR-TT, Universität Stuttgart und IoLiTec GmbH, sowie der assoziierten Projektbeteiligten, dem Institut für Partikeltechnik (iPAT) der TU Braunschweig, der Schaeffler AG und ADEKA Europe GmbH, werden schließlich mehrlagige Li-S Pouchzellen mit hoher Energiedichte (> 200 Wh/kg bzw. > 200 Wh/l) aufgebaut und eine ökologische und ökonomische Bewertung durchgeführt. Das Anwendungspotential im Bereich stationärer, aber auch mobiler Speicher kann so demonstriert und eine Perspektive für Li-S-Batterien auf Basis sulfurierter Polymere gegeben werden.

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Das Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Stuttgart forscht mit über 180 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern auf dem Gebiet effizienter und ressourcenschonender Energiespeicher und Energiewandlungstechnologien der nächsten Generation. Die experimentelle bzw. modellgestützte Entwicklung der Batterien ist in den Abteilungen Elektrochemische Energietechnik und Computergestützte Elektrochemie angesiedelt.

Universität Stuttgart – Instituts für Polymerchemie (IPOC)
Der Lehrstuhl für Makromolekulare Stoffe und Faserchemie des Instituts für Polymerchemie (IPOC) an der Universität Stuttgart beschäftigt sich u.a. mit Lithium-, Natrium- und Magnesium-Schwefelbatterien und besitzt umfassende Erfahrung in der Synthese und Charakterisierung der entsprechenden Batteriekomponenten sowie in der Herstellung und elektrochemischen Charakterisierung der entsprechenden Metall-Schwefel-Batterien.

IoLiTec GmbH
Die IoLiTec Ionic Liquid Technologies GmbH mit Hauptsitz Heilbronn wurde im Mai 2003 gegründet und ist ein mehrfach ausgezeichnetes, innovatives, dynamisches und zielorientiertes Unternehmen. Neben einer sich ständig vergrößernden Standardproduktpalette von derzeit etwa 300 ionischen Flüssigkeiten sowie etwa 40 Zwischenprodukten und 150 Nanomaterialien, die in Gramm- bis Tonnen-Mengen vertrieben werden, bietet IoLiTec begleitend F&E-Dienstleistungen und Auftragssynthesen an.

TU Braunschweig – Institut für Partikeltechnik (iPAT)
Der Arbeitsbereich Batterieverfahrenstechnik am Institut für Partikeltechnik der TU Braunschweig beschäftigt sich mit verfahrenstechnischen Fragestellungen für elektrochemische Speichertechnologien, von der Grundlagenforschung bis zur Prozess- und Fertigungstechnik der industriellen Elektrodenproduktion. Die Forschungsbereiche decken hierbei die gesamte Prozesstechnik vom Rohmaterial bis zur fertigen Elektrode ab sowie den Laborzellbau und das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien. All diese Themen werden durch simulative Untersuchungen am Institut unterstützt.

Schaeffler Technologies AG
Seit über 75 Jahren treibt die Schaeffler Gruppe zukunftsweisende Erfindungen und Entwicklungen im Bereich Motion Technology voran. Mit innovativen Technologien, Produkten und Services in den Feldern Elektromobilität, CO₂-effiziente Antriebe, Fahrwerkslösungen, Industrie 4.0, Digitalisierung und erneuerbare Energien ist das Unternehmen ein verlässlicher Partner, um Bewegung effizienter, intelligenter und nachhaltiger zu machen – und das über den kompletten Lebenszyklus hinweg. Die Motion Technology Company produziert Präzisionskomponenten und Systeme für Antriebsstrang und Fahrwerk sowie Wälz- und Gleitlagerlösungen für eine Vielzahl von Industrieanwendungen. Im Jahr 2022 erwirtschaftete die Unternehmensgruppe einen Umsatz von 15,8 Milliarden Euro. Mit zirka 84.000 Mitarbeitenden ist die Schaeffler Gruppe eines der weltweit größten Familienunternehmen. Mit mehr als 1.250 Patentanmeldungen belegte Schaeffler im Jahr 2022 laut DPMA (Deutsches Patent- und Markenamt) Platz vier im Ranking der innovationsstärksten Unternehmen Deutschlands. 

ADEKA Europe GmbH
ADEKA ist ein globales Chemieunternehmen mit einer Geschäftshistorie von über 100 Jahren. Unsere Hauptverwaltung sitzt in Tokio, Japan. Der Konzern umfasst weltweit mehr als ein Dutzend regionale Vertriebsgesellschaften, 4 Forschungs- & Entwicklungszentren und 22 Produktionsstätten.

Mit unseren herausragenden Technologien, exzellenter Fertigungsqualität, einer global aufgestellten und kompetenten technischen Vertriebsorganisation und einem weltweiten Distributionsnetzwerk offerieren wir ein breites Portfolio an Produkten für Kunden aus diversen Industrien auf der ganzen Welt.

ADEKA verfügt über eigene Geschäftseinheiten in Japan, Korea, Taiwan, Thailand, Singapore, China, Indien, den USA und Europa. ADEKA’s Geschäfte in Europa werden von seiner regionalen Hauptverwaltung ADEKA Europe GmbH mit Sitz in Düsseldorf betreut.