Fraunhofer IWS erforscht neue Zellarchitektur für Festkörperbatterien
Die Projekte AnSiLiS, gefördert durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt, sowie TALISSMAN („Technologies for Advanced Lithium-Sulfur batteries towards Safe and Sustainable Mobility Applications“), finanziert über das Horizon-Europe-Programm der EU, bilden den strukturellen Rahmen für diese Forschung. In beiden Projekten übernimmt das Fraunhofer IWS die Rolle des systemintegrierenden Entwicklungspartners. Chemisches Grundverständnis, Werkstoffwissen, verfahrenstechnische Erfahrung und eine anwendungsnahe Pilotfertigung sollen dabei nahtlos ineinander greifen.
Ziel der Forschung ist die Entwicklung einer Festkörper-Lithium-Schwefel-Zelle, die bei vergleichbarem Energieinhalt deutlich leichter ausfällt als die marktüblichen Lithium-Ionen-Batterien. Zugleich soll diese Batteriezelle auch leistungsfähiger und sicherer sein.
Konkret wählt das Fraunhofer IWS einen anderen Ansatz als bei Lithium-Schwefel-Zellen bislang üblich: Diese erreichen nämlich nur begrenzte Zyklenzahlen, da der verwendete flüssige Elektrolyt die Bildung löslicher Polysulfide begünstigt. Diese Nebenprodukte führen zu unerwünschten Materialverlusten und beschleunigtem Abbau der Zyklenstabilität.
Das alternative Konzept vom Fraunhofer IWS sieht hingegen vor, die direkte Umwandlung von Schwefel zu festem Lithiumsulfid in einem weitgehend festen Zellkonzept durchzuführen, ganz ohne flüssigen Elektrolyten. Laut der Forschungseinrichtung deuten erste Laborergebnisse darauf hin, dass mit dieser Architektur in Zukunft eine spezifische Energiedichte von über 600 Wattstunden pro Kilogramm bei stabilen Zykleneigenschaften technisch erreichbar ist. Damit würden die Zellen mehr als doppelt so viel Energie pro Kilogramm speichern als die etablierten Lithium-Ionen-Batterien.
Um dieses Ziel zu erreichen, beteiligt sich das Fraunhofer IWS an den beiden oben genannten Projekten. Bei AnSiLiS geht es um Materialentwicklung, also welche Kombination von Schwefel, Kohlenstoff und Lithium am besten funktioniert. Außerdem wird getestet, wie die Batterie praktisch gebaut werden kann. Und bei TALISSMAN wird geschaut, wie man solche Batterien industriell herstellen kann – also in großer Menge, kostengünstig und sicher. Ziel: Batterien unter 75 Euro pro Kilowattstunde bei hoher Energiedichte. Wichtig: Die Zellarchitektur soll mit bestehenden Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien kompatibel bleiben.
Als mögliche Einsatzfelder der Lithium-Schwefel-Festkörperbatterie stehen zunächst weniger Elektroautos im Vordergrund als vielmehr Luftfahrt, unbemannte Flugsysteme und tragbare Energiespeicher. Das Fraunhofer IWS will funktionsfähige Prototypen entwickeln, um die angestrebten Resultate in den nächsten Jahren validieren.
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