Lithium-Schwefel-Batterien der Monash University, Melbourne, Australien

Es handelt sich um die Lithium-Schwefel-Batterie, in der tatsächlich elementarer Schwefel als Aktivmaterial eingesetzt wird. Bei der Entladung der Batterie wird der Schwefel in Lithiumsulfid umgewandelt. Jedes Schwefelatom bindet dabei zwei Lithium-Ionen und hat damit eine deutlich höhere spezifische Kapazität als alle Materialien, die aus der Lithium-Ionen-Technik bekannt sind.

Das Fraunhofer IWS arbeitet seit zehn Jahren an der Entwicklung von Lithium-Schwefel-Zellen und verfügt über ein Patentportfolio zu verschiedenen Schlüsselkomponenten. In verschiedenen Projekten und mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft wird die Entwicklung der Zellen weiter vorangetrieben. Die Erfahrungen basieren also auf einer Vielzahl von Kooperationen und vielen 100 Zellen, die jährlich am IWS aufgebaut und untersucht werden. In diesem speziellen Fall wurde die Kompetenz des IWS genutzt, um das Material der australischen Gruppe in Prototypzellen zu bringen und zu bewerten.

Zum einen bietet das Fraunhofer IWS an, neue Material-Entwicklungen externer Partner in Kooperation (wie hier geschehen) in Prototypzellen zu transferieren und zu bewerten. Zum anderen besteht ein eigenes Patentportfolio zur Li-S-Technologie am Dresdner Institut, das Innovationen an den wichtigsten Zellkomponenten schützt. Die IWS-Technologie basiert dabei insbesondere auf neuen Elektrolytentwicklungen, die weitere Vorteile in der Energiedichte und Zyklenstabilität bringen.

Am Fraunhofer IWS sehen wir viel Potenzial in der Technologie. Dennoch würden wir die Aussagen etwas anders einordnen und die damit verbundenen Erwartungen herunterschrauben wollen. Die Stärke der Li-S-Batterie liegt in ihrem geringen Gewicht (hohe Energiedichte bezogen auf die Masse) – nicht im Volumen, wenn man die Batteriezellen mit Lithium-Ionen-Akkus vergleicht. Der Vorteil beim Einsatz im Smartphone ist daher fraglich und die Vorteile im Elektrofahrzeug hängen stark vom Fahrzeugkonzept (verfügbarer Bauraum) ab. Die Erhöhung der Lebensdauer (Anzahl der Ladezyklen) der Li-S-Batteriezellen ist zudem weiterhin eine Herausforderung.

Die (spezifische) Kapazität wird in der Regel auf die Masse bezogen. Eine Ein-Kilogramm-Li-S-Batterie hat somit eine vier Mal höhere Kapazität als eine Ein-Kilogramm-Li-Ionen-Batterie. Der Energieinhalt setzt sich zusammen aus Kapazität und Spannung der Batteriezelle (die ist abhängig vom Batterietyp). So ergibt sich, bezogen auf die Masse, ein ca. doppelt so hoher Energieinhalt pro Kilogramm für Li-S im Vergleich zur Li-ionen-Technik.

Für die Kommerzialisierungspläne und die Marktreife der vorliegenden Arbeit verweisen wir auf die australischen Kollegen. Das Fraunhofer IWS plant die eigenen Zell-Entwicklungen in den nächsten zwei bis drei Jahren in ersten Anwendungen zu demonstrieren.

Die größten Hürden liegen in der relativ geringen Zyklenstabilität und der geringen Leistungsfähigkeit bzw. Schnellladefähigkeit bisheriger Zellen. Die Lösung dafür kann nicht nur in einer guten Kathode liegen, sondern auch Elektrolyt und Anode müssen weiterentwickelt und aufeinander abgestimmt werden. Gerade im Elektrolytsystem liegt großes Potential und es wurde bisher vergleichsweise wenig erforscht.

Der Energiedichte-Vergleich zur Lithium-Ionen-Technologie: Die besten kommerziellen Lithium-Ionen-Zellen erreichen ca. 250 Wh/kg und 700 Wh/L. Typische Li-S-Prototypzellen erreichen 400 bis 450 Wh/kg bei ca. 450 bis 500 Wh/L. Wir halten es für realistisch, dass zukünftig Li-S-Zellen mit bis zu 500 Wh/kg und bis 700 Wh/L realisiert werden können. Das bedeutet, die Li-S-Zellen hätten den gleichen Energieinhalt bei gleichem Volumen heutiger Lithium-Ionen-Zellen, aber das Gewicht kann halbiert werden.

Besonders attraktiv ist die Li-S-Technologie daher für die Luftfahrt (u.a. Pseudo-Satelliten, Drohnen), die besonders von dem geringen Gewicht der Zellen profitiert. Weiterer Vorteil ist die Materialverfügbarkeit und die geringen Kosten von Schwefel (als Abfallprodukt der Ölindustrie), sodass perspektivisch nachhaltige und kostengünstige Speicher aufgebaut werden können.

Tatsächlich ist die Energiedichte, bezogen auf das Volumen, noch geringer als bei den besten Lithium-Ionen-Batterien. Hier besteht allerdings auch noch großes Potenzial durch Weiterentwicklungen zumindest aufzuschließen. Für alle Eigenschaften der Li-S-Batterien gilt, dass die Grenzen bzw. Möglichkeiten noch nicht ausgereizt sind sowie weitere Forschung und Entwicklung dafür notwendig ist.

Unter der Annahme, dass der Bauraum konstant bleibt und die volumetrische Energiedichte beider Batterien vergleichbar ist, läge der Vorteil vor allem im geringeren Gewicht der Batterie. Wie sich das auf die Reichweite auswirkt, ist von verschiedenen Faktoren (u.a. Fahrzeugkonzept) abhängig. Eine Vervielfachung der Reichweite ist allerdings sicher nicht zu erwarten.

Aus Sicht des Fraunhofer IWS ist das denkbar. Treiber dafür wären insbesondere reduzierte Kosten.

Es bleibt generell fraglich, ob alle Anforderungen für den Einsatz in Elektro-PKW erfüllt werden können. Dafür sind weitere Anstrengungen in Forschung und Entwicklung nötig. Um den (potenziellen) Kostenvorteil auszuspielen, müssen die Produktionsprozesse aufskaliert und weitere Hürden in der Massenproduktion überwunden werden. Die meisten Experten sind sich einig: Die Lithium-Ionen-Batterie wird mindestens noch zehn Jahre diesen Markt dominieren.

Wir rechnen in den nächsten fünf Jahren zunehmend mit Demonstrations-Projekten, z. B. für Flug-Anwendungen in Pseudosatelliten und Drohnen. Der Weg in den Massenmarkt ist nach unserer Einschätzung noch von weiteren Durchbrüchen in der Entwicklung abhängig.

Die Kosten heutiger Lithium-Ionen-Batterien werden von den Rohstoffen dominiert. Genau hier liegt der Vorteil der Li-S-Batterie, da man kein Nickel und Cobalt einsetzt. Eine genaue Vorhersage ist allerdings zum jetzigen Zeitpunkt nicht möglich und von der Zusammensetzung der Zellen und ausgewählten Produktionsmethoden abhängig.

Die Elektronik (Ladegeräte, Batteriemanagementsysteme etc.) muss auf die neue Zellchemie angepasst werden. Lithium-Ionen-Akkus bieten bereits ein herausragendes Gesamtpaket an Leistungseigenschaften und werden in den meisten Anwendungen kurzfristig sicher nicht vom Markt verdrängt. Die Lithium-Schwefel-Technologie hat ihren größten Vorteil im geringeren Gewicht und die ersten Anwendungen werden in der Luftfahrt (Pseudo-Satelliten, Drohnen, Elektroflugzeuge) gesehen.

Die ganzheitlichen und patentierten Zellkonzepte des Fraunhofer IWS werden bereits in verschiedenen Kooperationen mit europäischen Unternehmen eingesetzt und weiterentwickelt. Für die Herstellung von Li-S-Zellen in Europa und die Einbindung verschiedener Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette besteht eine gute Basis (Know-how, Patente, Technologie etc.). Ob es irgendwann Vollelektrische Passagierflugzeuge geben wird, kann das Fraunhofer IWS nicht realistisch beurteilen. Offenbar gibt es aber Bestrebungen der Luftfahrt-Industrie auch in diese Richtung. Das geringe Batteriegewicht wird dafür absolut entscheidend sein und Li-S-Batterien werden dafür in Frage kommen. Der Weg dahin ist aber sicher lang.

Die Energiespeicherung ist ein wichtiger Baustein für die Energiewende und nachhaltige, kostengünstige sowie langzeitstabile Batterien könnten diesen Bedarf erfüllen. Schwefel ist ein Abfallprodukt der Erdölindustrie und somit ein weltweit kostengünstig verfügbarer Rohstoff. Die Lithium-Schwefel- oder analoge Natrium-Schwefel-Batterien besitzen also das Potential, mittelfristig eine besonders kostengünstige Speicherlösung zu sein.

Ein Aspekt ist der Herstellungsprozess der Kathode. Bei Li-Ionen-Zellen kommen giftige Lösungsmittel zum Einsatz – in der vorliegenden Arbeit wurde Wasser als Lösungsmittel eingesetzt. Ein neues Verfahren zur Elektrodenfertigung am Fraunhofer IWS kommt sogar ganz ohne Lösungsmittel aus. Zum anderen verwenden Li-Ionen-Akkus ein Kathodenmaterial auf Basis von Nickel und Kobalt, deren Gewinnung recht energie- und kostenaufwendig ist. Schwefel ist als Abfallprodukt der Ölindustrie weltweit kostengünstig verfügbar. Noch ist nicht klar, nach welcher Methodik die Zellen recycled werden. Das Element Lithium muss für ein nachhaltiges Konzept möglichst vollständig zurückgewonnen werden und dafür sind verschiedene Methoden in der Entwicklung.

Aktuelle Untersuchungen an einzelnen Zellen zeigen deutliche Sicherheitsvorteile bei den Lithium-Schwefel-Zellen. Es zeigt sich aber auch eine Abhängigkeit vom gewählten Elektrolytsystem und vom Aufbau der Zellen, sodass noch keine abschließende Bewertung vorgenommen werden kann. Bei der Weiterentwicklung ist aber die Sicherheit der Zellen immer ein wichtiger Aspekt.

Das IWS bildet die ganzheitliche Prozesskette zur Entwicklung neuer Batteriezellen mit den Schwerpunkten Material-, Oberflächen- und Lasertechnologien ab:

• Aktueller Schwerpunkt 1: Lösungsmittelfreie Fertigung von Elektroden (Presseinformation 8 / 2019)
• Aktueller Schwerpunkt 2: Lithium-Metallanoden (Presseinformation 14 / 2019 und Presseinformation 5 / 2019)
• Aktueller Schwerpunkt 3: Ganzheitliche Entwicklung von Lithium-Schwefel- und Festkörper-Batterien mit dem Ziel, Prototypzellen für anwendungsnahe Evaluierung zur Verfügung zu stellen