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Projekt Liscell verbessert Lithium-Schwefel-Batteriezellen
23.11.2017

Projekt Liscell verbessert Lithium-Schwefel-Batteriezellen

Im Mai wurde das Verbundprojekt Liscell, an welchem Forscher verschiedener Fraunhofer-Institute beteiligt waren, beendet. Im Rahmen des Projektes hat man die Lithium-Schwefel-Batteriezellen weiterentwickelt. Diese Technologie könnte eine Energiespeicherlösung für die Mobilität der Zukunft sein. Auf dem 6. Li-S-Workshop am 6. und 7. November 2017 in Dresden wurden die Ergebnisse vorgestellt.

Gewicht und Kosten pro Speicherkapazität begrenzen maßgeblich den Einsatzbereich eines batteriebetriebenen Produktes. Für die Elektromobilität verursacht der Speicher beispielsweise den Großteil der Gesamtkosten des Fahrzeugs bei gleichzeitig eingeschränkter Reichweite. Dementsprechend groß ist der Bedarf an neuen Speichern mit höherer Energiedichte und geringen Kosten.
Lösung hierfür können neuartige Lithium-Schwefel-Batterien sein, bei denen zukünftig Energiedichten von bis zu 500 Wh/kg erwartet werden. Gleichzeitig wird bei dieser Technologie das teure Kathodenmaterial der Li-Ionen-Zellen durch kostengünstigen, ungiftigen und nahezu unbegrenzt verfügbaren Schwefel abgelöst.

An der Weiterentwicklung der Lithium-Schwefel-Batteriezellen auf der Basis neuer Kathoden, Elektrolyten und Anoden wurde im Rahmen des Verbundprojektes LiScell in den letzten drei Jahren geforscht. Ziel ist es, die Lithium-Schwefel-Technologie für die Elektromobilität weiter zu erschließen.

Die Technologie zeichnet sich durch geringe Materialkosten und eine hohe Energiedichte aus und könnte so eine attraktive Energiespeicherlösung für zukünftige Mobilität darstellen. Die größte Herausforderung hierbei ist die geringe Zyklenstabilität der Zellen: Li-S-Zellen erreichen zwar bereits heute bis zu 40 Prozent höhere Energiedichten (bis 400 Wh/kg) als die besten Li-Ionen-Zellen, können allerdings nur 50- bis 100-mal wiederaufgeladen und genutzt werden. Grund dafür sind Zersetzungsreaktionen des Elektrolyten an der Anoden-Oberfläche, die aus metallischem Lithium besteht. Auf diese Herausforderung fokussierten sich die Wissenschaftler und entwickelten ein Zellkonzept auf Basis von Silizium-Legierungs-Anoden zur Substitution des metallischen Lithiums.

Vorteile der Si-Anoden-Technik
In ersten Prototypen konnte das neue Anoden- und Zellkonzept in Li-S- und Li-Ionen-Prototypzellen bereits umgesetzt und demonstriert werden. Hier entstanden auch neue Lösungen für die Fertigung der Schwefelkathoden. Weiterhin seien die Vorteile der Si-Anoden-Technik in Sicherheitstests herausgearbeitet worden. Heraus kam hierbei, dass die Li-S-Zellen einen deutlichen Vorsprung gegenüber herkömmlichen Energiespeichern haben. Die Forscher gaben zudem zu verstehen, dass diese eine hohe Toleranz gegenüber Überladung und thermischer Beanspruchung vorweisen. Mit der Si-Anode haben ein thermisches Durchgehen der Zellen selbst oberhalb 300 °C vermieden werden können.

Kostengünstiges Fertigungsverfahren
Auch mit neuen, kostengünstigen und effiziente Fertigungsverfahren hat man sich im Rahmen des Projektes beschäftigt. So konnte mit einem Vakuum-Beschichtungsverfahren Silizium-Schichten mit einer speziellen Mikrostruktur im Rolle-zu-Rolle-Verfahren beidseitig auf dünnen Stromkollektorfolien aus Kupfer abgeschieden werden. Hierdurch erwiesen sich die Schichten, sowohl für Li-S-Zellen als auch für Li-Ionen-Zellen, als geeignetes Anodenmaterial mit deutlichem Steigerungspotential hinsichtlich der Volumenenergiedichte gegenüber herkömmlichen Lösungen.

Quellen: Presseinformation von Frauenhofer, Springerprofessional, Elektroauto News

Bild: Frauenhofer IWS, Lithium-Schwefel-Zell-Elektroden mit Silizium-Legierungs-Anoden.