Lithium-Schwefel-Batterien besitzen im Vergleich zu klassischen Lithium-Akkus einige Vorzüge: Sie nutzen Schwefel als reichlich vorhandenen Rohstoff, kommen ohne das kritische Element Kobalt aber auch ohne Nickel aus und können eine enorm hohe spezifische Energiedichte erreichen. Prototypzellen schaffen heute bereits bis zu 500 Wh/kg, fast doppelt so viel wie aktuelle Lithium-Ionen-Batterien.
Lebensdauer muss verbessert werden
Allerdings haben Lithium-Schwefel-Batterien auch ihre Nachteile: Sie sind bislang deutlich anfälliger für Degradationsprozesse, das heißt, beim Laden und Entladen bilden sich gelöste Polysulfide und Schwefelphasen auf der Lithiumelektrode, die die Leistung und Lebensdauer der Batterie zunehmend verringern. „Diese Prozesse wollen wir durch unsere Forschung aufklären, mit dem Ziel, diesen Batterietyp gezielt zu verbessern“, sagt der HZB-Physiker Dr. Sebastian Risse, der am HZB ein Team zur operando-Analyse von Batterien leitet.
Dabei konzentriert er sich auf so genannte Pouchzellen, ein Batterieformat, das in der Industrie weit verbreitet ist. Am HZB Institut „Elektrochemische Energiespeicherung (CE-IEES)“, das von Prof. Yan Lu geleitet wird, wurde daher ein Labor eingerichtet, das auf die Herstellung von Lithium-Schwefel-Batterien in diesem „Taschenformat“ spezialisiert ist. Hier können die unterschiedlichsten Varianten von Lithium-Schwefel-Batterien im Taschenformat hergestellt und untersucht werden. Im Rahmen des BMBF Projekts „SkaLiS“, das von Risse koordiniert wird, hat nun das Team um Risse zusammen mit einer Gruppe aus dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden eine umfangreiche Studie zu Lithium-Schwefel-Pouchzellen veröffentlicht.
Verschiedene Methoden und Ergebnisse
Dafür wurden Batteriezellen in einem am HZB entwickelten Setup mit unterschiedlichen Methoden wie Impedanzspektroskopie, Temperaturverteilung, Kraftmessung und Röntgenbildgebung (Synchrotron- und Laborquelle) während des Auf- oder Entladens untersucht. „Wir haben dabei erstmals sowohl die Bildung von Lithium-Dendriten als auch die Auflösung beziehungsweise Bildung von Schwefelkristalliten während des multilagigen Batteriebetriebs beobachten und dokumentieren können“, sagt Dr. Rafael Müller, HZB-Chemiker und Erstautor der Studie.
„Insbesondere die Phasenkontrastradiographie mit kohärentem Synchrotronlicht an der BAM-Beamline am BESSY II ermöglichte es uns, die nur wenig absorbierende Lithiummetallmorphologie zu verfolgen. Diese Einblicke konnten wir mit anderen Messdaten korrelieren und so ein umfassendes Bild erstellen.“ Mithilfe von Röntgenanalysen im Imaging-Labor des HZBs in Kooperation mit der Gruppe von Dr. Ingo Manke gelang es darüber hinaus, die Bildung von stark absorbierenden Schwefelkristallen während des Batteriebetriebs zu analysieren.
„Unsere Ergebnisse schlagen eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und Technologietransfer, insbesondere ermöglichen sie auch Schlussfolgerungen in Bezug auf die Skalierbarkeit dieser Batterietechnologie und für die Weiterentwicklung von Hochenergiebatteriesystemen“, sagt Risse. Unter anderem zeigte das Team, dass ein neuer Designansatz des IWS Dresden vielversprechend ist: Der perforierte und damit deutlich leichtere Kathodenstromkollektor beeinträchtigt die Leistung der Zelle nicht.
Die Ergebnisse dieser Studie werden dazu beitragen, die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien zu verbessern, damit dieser vielversprechende Batterietyp die Anforderungen an mobile und stationäre Energiespeichersysteme erfüllen kann.
