Analyse der Alterungsreaktionen und -prozesse in Lithium-basierten Batteriesystemen (AReLiS-3)

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Description

Die Batterien der Zukunft sollen nicht nur leistungsfähiger, ausdauernder und sicherer sein als die heutigen auf Übergangsmetallen wie Cobalt basierten Lithium-Ionen-Batterien, sondern auch günstiger und nachhaltiger. Der Einsatz von Schwefel in der Kathode bietet ebendiese Vorteile, eine hohe Kapazität, niedrige Rohstoffkosten, einen geringen ökologischen Fußabdruck und über die Welt verteilte Rohstoffreserven. Trotz erheblicher Anstrengungen in Forschung und Entwicklung, bleibt der technologische und industrielle Durchbruch dieser sogenannten Hochleistungsbatterien bisher noch aus. Zu den größten Herausforderungen für einen Durchbruch gehören eine Steigerung der Zyklenstabilität, eine verbesserte Schwefelausnutzung als auch die Unterdrückung der Bildung von Lithiumdendriten. Ein gemeinsames Alterungsphänomen vieler bisheriger Lithium-Schwefel-Konzepte ist die Bildung von im Elektrolyten löslichen Polysulfiden an der Kathode und die dadurch verursachte irreversible Ablagerung von Schwefelspezies an der Anode. Um sowohl die Löslichkeit von Polysulfiden als auch die Bildung von Lithiumdendriten zu hemmen und gleichzeitig die Schwefelausnutzung zu erhöhen, gibt es eine Reihe von Ansätzen, darunter die Verwendung von anorganischen oder organischen Feststoffelektrolyten, maßgeschneiderte oberflächenmodifizierte Lithiummetallanoden oder die Verwendung von eingekapselten Schwefelspezies in Kohlenstoffporen und anschließender Prälithiierung der Kathoden. Die Anwendung von Festelektrolyten ist jedoch mit weiteren Herausforderungen hinsichtlich der Zyklierbarkeit und Zyklenstabilität der jeweiligen Batteriezellen verbunden. Beispiele hierfür sind enge elektrochemische Stabilitätsfenster und die daraus resultierenden irreversiblen Nebenreaktionen an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt, hohe Grenzflächenwiderstände und eine mechanische Instabilität. Die Vorgängerprojekte "AReLiS-1" und "AReLiS-2" haben sich unteranderem mit den Reaktionen der Kathoden mit flüssigem, festem und hybridem Elektrolyten beschäftigt. Hier konnten durch fortschrittliche Analysemethoden tiefere Einblicke in die chemischen Prozesse von Lithium-Schwefel-Batterien gewonnen werden, die sich in der Entwicklung neuer und bessere Elektrolyte widerspiegelten. Aufbauend auf den Ergebnissen, entwickelten Materialien, Technologien und Methoden in "AReLiS-1" und "AReLiS-2", wird sich das Projekt "AReLiS-3" mit der Charakterisierung von Elektrodengrenzflächen und der Entschlüsselung relevanter Prozesse innerhalb der Zellkonzepte mit weiteren komplementären analytischen Methoden widmen. Dabei werden nicht nur Lithium-Schwefel basierte Systeme untersucht, sondern vergleichend dazu auch konventionelle NMC-basierte Kathoden. Auf dieser Grundlage werden neuartige Zelldesigns, Materialien, Elektrodenbeschichtungen und Elektrolyte entwickelt, untersucht und optimiert, um so die Wege für die Anwendung von Batteriesystemen der nächsten Generation zu ebnen. Vielversprechende Lithium-Schwefel Konzepte werden dazu unter industrienahen Aspekten hochskaliert und in mehrlagigen Pouch-Zellen zyklisiert und untersucht.