Lithium-Schwefel-Hochenergie Akkumulatoren

Die erfolgreiche Entwicklung einer Li-S Batterie mit hoher Energiedichte hat die faszinierende Perspektive, dass sie die Entwicklung einer umweltfreundlichen Autobatterie ganz signifikant weiterbringen könnte. Li-S Batterien versprechen eine Verdreifachung der Energiedichte im Verhältnis zu existierenden Li-Oxid Batterien bei gleichzeitig hoher Reversibilität von schnellen Lade- und Entladungszyklen sowie einer Lebensdauer von tausenden von Zyklen. Auf der Basis von detaillierten Untersuchungen zu neuartigen Kathodenmaterialien mit Nanobehältern für elektrochemisch aktive Materialien planen wir die Entwicklung von hierarchisch strukturierten Kohlenstoff- Elektroden auf der Mikro- und Nano-Skala, die zu Li-S Batterien hoher Energiedichte führen sollen. Unser Konsortium bringt zusammen Polymer-Ingenieure zur Entwicklung polymer-basierter neuer Kathodenmaterialien, Elektro-Chemiker zur Optimierung der elektro-chemischen Performance und Physiker für das Verständnis der grundlegenden Prinzipien auf experimenteller und theoretischer Ebene. Anwendungsaspekte werden eingebracht durch den engen Kontakt mit einer führenden Firma der Batterie-Herstellung. Neue Wege der Materialentwicklung werden kombiniert mit ausgefeilter Instrumentierung zur Analyse verschiedener struktureller und elektro- chemischer Aspekte, einer absoluten Elementzusammensetzung, Tiefenprofilierung und elektronischer Charakterisierung als auch der Simulation von Lade- und Entladevorgängen.

Ballungszentren, in denen elektrisch betriebene Fahrzeuge das Stadtbild und die Natur die urbane Geräuschkulisse prägen, sind ein Zukunftsszenario, für dessen Realisierung die Entwicklung kleiner und leistungsfähiger Akkumulatoren, welche über viele Lade- und Entladezyklen große Mengen an Energie reversibel abgeben/speichern können, maßgeblich ist. Eine vielversprechende Technologie um die Einschränkungen derzeitiger Lithium Ionen Batterien in Bezug auf Energiedichte zu überwinden, ist die Lithium Schwefel Batterie. Nichtsdestotrotz bedarf es intensiver Forschung um die Herausforderungen dieser Technologie zu meistern und sie in den Nutzen der breiten Öffentlichkeit zu stellen. Zusammen mit einem multidisziplinären Konsortium arbeitete Varta Micro Innovation (VMI) GmbH an unterschiedlichen wissenschaftlichen Fragestellungen zur Lithium Schwefel Batterie. Nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien, ein wesentlicher Bestandteil der Schwefelelektrode, wurden von Wissenschaftlern des Leibnitz Instituts für Polymerforschung (IPF) in Dresden hergestellt. VMI führte die Weiterverarbeitung dieser Materialien zu Schwefelelektroden und ihre Bewertung hinsichtlich ihrer elektrochemischen Leistungsfähigkeit durch. Der Einsatz der neuartig hergestellten Kohlenstoffmaterialien resultierte in Schwefelelektroden mit hoher Anfangskapazität, wobei die Zyklenstabilität noch verbessert werden muss. Um die limitierenden Faktoren in der Leistungsfähigkeit der Batterie zu verstehen, haben Forscher der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) Berlin und der Universität Ulm versucht, die grundlegenden Abläufe im Lade- und Entladeprozess an der Schwefelelektrode näher zu beleuchten. Dabei wurden theoretische Simulationen mit den Ergebnissen analytischer Untersuchungen (Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) spectroscopy) von Schwefelelektroden in unterschiedlichen Ladungszuständen kombiniert. Die Anwendbarkeit der Methode für die spezifische Fragestellung wurde gezeigt und kann nun zu einer in operando Methode weiterentwickelt werden.