Neue Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge lassen sich nur realisieren, wenn man die hohen Anforderungen der Automobilindustrie und die Herausforderung in Bezug auf die Materialentwicklung in Betracht zieht. Energie- und Leistungsdichte, Kosten, Sicherheit und Lebensdauer bilden die entscheidenden Kriterien für die Energiespeicherentwicklung. Die Energiedichte einer Batterie bestimmt signifikant die Reichweite eines Elektroautos und eben diese erschwert zum jetzigen Zeitpunkt die generelle Substitution der kraftstoffbetriebenen Fahrzeuge.
Ein sehr vielversprechender Ansatz, um die Energiedichte der jetzigen Lithium-Ionen-Batterie deutlich zu verbessern, ist der Einsatz von Lithium-Schwefel-Batterien. Schwefel als aktives Kathodenmaterial hat eine theoretische spezifische Kapazität von 1672 mAh g-1 und ein durchschnittliches Entladungspotential von 2.2 V. Im Fall der Lithium-Ionen-Batterie wird eine Energiedichte von ca. 200 Wh kg-1 erwartet, mit der Lithium-Schwefel-Batterie hingegen können Energiedichten bis zu 600 Wh kg-1 erreicht werden. Weitere sehr exzellente Eigenschaften sind Kostensenkungen und Sicherheitsverbesserungen, da Schwefel reichlich vorhanden, kostengünstiger und weniger toxisch als herkömmliches Kathodenmaterial ist. Nichtsdestoweniger stellt das Thema Lithium-Schwefel-Chemie hinsichtlich der Entwicklung neuer Materialien eine hohe Herausforderung dar und muss in systematischen Studien entwickelt und gelöst werden.
In diesem Projekt werden genau diese Forderungen thematisiert. Ziel ist eine Lithium-Schwefel-Batterie mit entscheidend verbesserten Eigenschaften.
Daraus ergeben sich folgende Schwerpunkte:
- Kohlenstoff-Materialien mit definierter Porenstruktur im Nanobereich als leitendes und stabilisierendes Gerüst für Schwefelkathoden
- Polymer- und Additivelektrolyte um den sogenannten »Shuttle« Mechanismus zu unterdrücken
- Beschichtung von Lithiumanoden um die Dendritbildung und den Elektrolytabbau zu reduzieren
Das Projekt fokussiert seine Studien neben grundlegender Erforschung von Mechanismen und Materialien auch besonders auf die Umsetzbarkeit der Entwicklungen hinsichtlich eines schnellen Ergebnistransfers in die industrielle Verwertung.
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
