Forscher nehmen Lithium-Schwefel-Batterien ins Visier

Seit Jahresanfang läuft am MEET Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster das Forschungsprojekt "AReLiS-2". Der Projektname steht für "Analyzing the Reactions of Electrolyte and Cathode in a Lithium/Sulfur‐ and Lithium/Metal Sulfide Battery". Darin legen die Forschenden ihren Fokus auf schwefelhaltige Kathoden sowie Polymer-, Festkörper- und Hybrid-Elektrolyten als potenzieller Ersatz für heutige Lithium-Ionen-Batterien.

Im Projekt arbeitet bis März 2023 ein Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zusammen. Sie kommen vom Forschungszentrum Jülich, der Technischen Universität Dresden, dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Fraunhofer IWS) Dresden, der Waseda University aus Tokyo (Japan), des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) aus Osaka (Japan) sowie der Tohoku University aus Sendai (Japan). Auf der deutschen Seite fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung das Projekt mit rund 776.700 Euro.

Rasante Alterung der Batterien als Herausforderung

In dem Element Schwefel als Kathodenmaterial erkennt die Forschung bereits heute schon einige Vorzüge: Es bietet eine hohe Kapazität, niedrige Rohstoffkosten, einen geringen ökologischen Fußabdruck und ist weltweit verfügbar. Ein Problem ist jedoch die bislang noch rasante Alterung der schwefelbasierten Batteriezellen: Bereits nach wenigen Lade- und Entladezyklen kann die Kapazität der Lithium-Schwefel-Batterien auf ein niedriges Niveau sinken. Als Ursache nennen die Forschenden unter anderem die Auflösung von Polysulfiden (PS) im Elektrolyten und die darauffolgende irreversible Ablagerung von Schwefelspezies auf der Anode.

Mit verschiedenen Forschungsansätzen wollen die Wissenschaftler die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien (LSB) verbessern: zum Beispiel durch Verwendung von Elektrolyten mit geringer PS-Löslichkeit oder die Einkapselung von Schwefelspezies in Kohlenstoffporen. Auch der Austausch von Schwefel durch Metallsulfide oder die Verwendung von Polymer- und Festkörperelektrolyten wird untersucht. Die grundlegenden Prinzipien dieser Ansätze hat das Forschungsteam im Vorgängerprojekt "AReLiS-1" untersucht, das sich stark auf die Reaktionen der Kathoden mit flüssigen Elektrolyten konzentrierte.

Instrumentelle chemische Analytik

Arelis-2 konzentriert sich dagegen auf die Charakterisierung grundlegender Mechanismen von Batterien, die mit schwefelhaltigen Kathoden sowie Polymer-, Festkörper- und Hybrid-Elektrolyten betrieben werden. "Das Konsortium bringt weitreichende Erfahrungen aus den Bereichen der Materialwissenschaft, der Zellherstellung sowie der instrumentellen chemischen Analytik zusammen", erklärt Projektmanager Simon Wiemers-Meyer.

Der stellvertretende Leiter des Forschungsbereichs "Analytik & Umwelt" am MEET Batterieforschungszentrum geht davon aus, dass die Untersuchungen gezielt ausgewählter Zellsysteme tiefe Einblicke in die entscheidenden Prozesse der jeweiligen Lithium-Schwefel-Batterien liefern werden.