Verbesserte Vermarktbarkeit von Lithium-Schwefel-Batterien
Dank ihrer hohen spezifischen Energie und Kosteneffizienz sind Lithium-Schwefel-Batterien (LSB) gut aufgestellt, um die Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen. Tatsächlich wurde gezeigt, dass LSB spezifische Energien in der Größenordnung von 500 bis 600 Wh/kg aufweisen – eine wesentliche Steigerung gegenüber den 150 bis 250 Wh/kg von Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings werden diese Vorteile von verschiedenen Problemen in den Schatten gestellt, die der Marktreife von LSB bislang im Wege stehen. Viele dieser Hindernisse wurden im Rahmen des EU-finanzierten Projekts EUROLIS angegangen, das praktische Lösungen für einige der chemischen Herausforderungen von LSB entwickelte. Beispielsweise löste das Projekt das Problem der geringen elektrischen Leitfähigkeit der Kathode und des unumkehrbaren Verlustes aktiver Materialien, wenn Lithium-Schwefel im Elektrolyt gelöst wird. Das Projekt HELIS (High energy lithium sulphur cells and batteries) führt die Arbeit von EUROLIS fort. „Durch die Erweiterung der während EUROLIS entwickelten Konzepte zielten wir darauf ab, die Stabilität der Lithium-Anoden während der Zyklen zu verbessern und Probleme wie das Recycling und die Sicherheit anzugehen“, so Robert Dominko, der Koordinator der Projekte EUROLIS und HELIS. „So haben wir eine weitere große Hürde auf dem Weg zu marktreifen LSB-Zellen übersprungen.“
Die Wertschöpfungskette der LSB
Das Alleinstellungsmerkmal des Projekts war die Verwendung einer vollständigen Wertschöpfungskette bei der LSB-Produktion. Alle 14 Partner des Projekts wurden mit einer spezifischen Aufgabe entlang der Kette betraut, angefangen mit der Materialentwicklung für drei verschiedene Serien von Prototypzellen. Letztendlich wurde eine Prototypzelle der Größe D verwendeten, um alle während des Projekts entwickelten Komponenten zu erproben. Ein wesentlicher Fokus des Projekts lag auf der Entwicklung von Separatoren und Elektrolyten mit Eigenschaften, die für LSB geeignet sind. Indem die Forscher die Lithiummetalloberfläche oder den Separator modifizierten, konnten sie beispielsweise mehrere Komponenten vorschlagen und bewerten, die Lithiummetall als Schutz gegen den kontinuierlichen Abbau verwenden. „Die besten Komponenten wurden für die Prototypzellen verwendet, die an den Standorten unserer industriellen Partner zusammengesetzt wurden“, erklärt Dominko. „Insgesamt wurden drei verschiedene Generationen von LSB-Zellen gemäß den Spezifikationen der Automobilbranche hergestellt und erprobt.“ Die Projektforscher führten außerdem Alterungs- und Sicherheitstests durch, die zur Validierung des Konzepts unerlässlich sind. Sämtliche Forschungsarbeiten wurden durch theoretische Berechnungen und Lebenszyklusanalysen unterstützt und Zellen aus beiden Projekten wurden verwendet, um einen Recyclingprozess für LSB zu entwickeln. „Alle diese Arbeiten führten zur Entwicklung der richtigen chemischen Umgebung, um hervorragende Reversibilität und Wiederverwertbarkeit bei nur moderater Energiedichte zu ermöglichen“, fügt Dominko hinzu.
Sicheres Verhalten, lange Wiederverwertbarkeit
Dank seiner starken, ergebnisorientierten Konsortien und des Einsatzes einer klar definierten Wertschöpfungskette entwickelte das HELIS-Projekt erfolgreich LSB-Zellen, die ein sicheres Verhalten und eine lange Wiederverwertbarkeit bei moderater Energiedichte an den Tag legen. Dennoch besteht weiterhin das Problem, wie metallisches Lithium geschützt werden kann. Diese Herausforderung steht im Mittelpunkt der nächsten Phase des Projekts. „Im Laufe des HELIS-Projekts haben sich unsere Partner viel Fachwissen angeeignet und sogar mehrere Patente angemeldet, sodass sie in einer guten Ausgangslage sind, um dieser Technologie zur Marktreife zur verhelfen“, fügt Dominko hinzu.
Schlüsselbegriffe
HELIS, EUROLIS, Lithium-Schwefel-Batterien, LSB, Lithium-Ionen-Batterien, Lithium, Automobilindustrie
