Batteriewerkstoffe für Lithium-Schwefel- und Feststoffbatterien

Aktive und passive Materialien bestimmen maßgeblich die Leistungsfähigkeit von Batteriezellen und übernehmen Schlüsselfunktionen für die Entwicklung neuer Zelltechnologien. Die ganzheitliche Bewertung der Materialien umfasst die chemische und strukturelle Charakterisierung sowie die Verarbeitung zu Elektroden und Zellen sowie deren elektrochemische Untersuchung. Elektrochemische Eigenschaften können so mit strukturellen Eigenschaften korreliert werden. Eigene Maßstäbe setzen wir mit der Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien für Lithium-Schwefel- und Feststoffbatterien.
 

Materialforschung für Lithium-Schwefel-Batterien

Die Entwicklung von Li-S-Batterien bildet seit 2010 einen Forschungsschwerpunkt am Fraunhofer IWS. Poröse Kohlenstoffmaterialien, eigene Elektrolytsysteme und neue Anodenkonzepte werden in Knopf- und Pouchzellen eingesetzt und anwendungsnah untersucht. So wird ein ganzheitliches Grundlagenverständnis aufgebaut und die Innovationen in einem Patentportfolio geschützt. Dies bildet die Basis für die Entwicklung ultraleichter Prototypzellen für neue Anwendungsfelder.

• Kirchhoff, S. et al.: A Small Electrolyte Drop Enables a Disruptive Semisolid High-energy Sulfur Battery Cell Design via an Argyrodite-based Sulfur Cathode in Combination with a Metallic Lithium Anode
  Advanced Energy Materials, August (2024), DOI: 10.1002/aenm.202402204 
  
• Fiedler, M. et al.: The Role of Nanoporous Carbon Materials for Thiophosphate-based All Solid State Lithium Sulfur Battery Performance
  Carbon, June (2024), DOI: 10.1016/j.carbon.2024.119252
  
• Fiedler, M. et al.: Mechanistic Insights into the Cycling Behavior of Sulfur Dry-film Cathodes
  Advanced Sustainable Systems, February (2023), DOI: 10.1002/adsu.202200439 
   

Werkstoffinnovationen für sulfidische Festkörperbatterien

Sulfidische Festelektrolyte zeichnen sich durch eine hohe Ionenleitfähigkeit und gute Verarbeitbarkeit aus. Sie bilden die Basis für eine neue Generation von hochleistungsfähigen Batteriezellen. Gleichzeitig bedarf es einer Anpassung an die Elektrodenmaterialien und neuer Konzepte insbesondere für die Anode. Hier setzt das Fraunhofer IWS mit eigenen Innovationen an und konnte beispielsweise erstmalig die lösungsmittelfreie Verarbeitung von Kathodenkompositen und den Einsatz von 100-Prozent-Siliziumanoden in Vollzellen demonstrieren. 

• Mörseburg, S. et al.: A Metallic Lithium Anode for Solid-state Batteries with Low Volume Change by Utilizing a Modified Porous Carbon Host
  Carbon, January (2025), DOI: 10.1016/j.carbon.2024.119821  
• Rosner, M. et al.: Toward Higher Energy Density All‐solid‐state Batteries by Production of Freestanding Thin Solid Sulfidic Electrolyte Membranes in a Roll‐to‐roll Process
  Advanced Enery Materials, January (2025), DoI: 10.1002/aenm.202404790 
• Cangaz, S. et al.: Enabling High-energy Solid-state Batteries with Stable Anode Interphase by the Use of Columnar Silicon Anodes
  Advanced Energy Materials, July (2020), DOI: 10.1002/aenm.202001320 
   

Skalierbare Herstellung ultradünner Lithium-Anoden

Wenige mikrometer-dicke Lithium-Schichten sind eine Schlüsselkomponente für viele Festkörper-Batteriezellen. Die Entwicklung skalierbarer Methoden zur Herstellung dieser metallischen Anoden ist eine Herausforderung, der das Fraunhofer IWS mit einem eigenen Ansatz begegnet. Eine patentierte Schmelzbeschichtungsroute ermöglicht den Auftrag dünner Lithiumschichten auf Kupfer- und Nickelfolien. Die Oberflächenmodifizierung oder der Einsatz zur Prä-Lithiierung von Anodenmaterialien sind Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten.

• Schönherr K. et al.: Liquid Lithium Metal Processing into Ultrathin Metal Anodes for Solid State Batteries
  Chemical Engineering Journal Advances, March (2022), DOI: 10.1016/j.ceja.2021.100218 
• Schönerr, K. et al.: Tailored Pre-lithiation Using Melt-deposited Lithium Thin Films
  Batteries, 2023, DOI: 10.3390/batteries9010053