Battererieforscher untersuchen Vorteile von schwefelhaltigen Kathoden
Das MEET Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster startet mit Beginn des Jahres 2022 ein neues Forschungsprojekt: Im Verbundprojekt „AReLiS-2“ werden Lithium-Schwefel-Batterien (LSB) und damit potenzielle Nachfolger heutiger Lithium-Ionen-Batterien untersucht. Der Fokus der Forschung liegt auf schwefelhaltigen Kathoden sowie Polymer-, Festkörper- und Hybrid-Elektrolyten. Erkenntnisse über diese entscheidenden Batteriebestandteile sollen den Weg für die Anwendung der Batteriesysteme der nächsten Generation ebnen.
Schwefel als Kathodenmaterial bietet eine hohe Kapazität, niedrige Rohstoffkosten, einen geringen ökologischen Fußabdruck und weltweit verteilte Rohstoffreserven. Der praktischen Anwendung steht die bislang noch rasante Alterung der Batteriezellen im Weg: Bereits nach wenigen Lade- und Entladezyklen kann die Kapazität der Lithium-Schwefel-Batterien auf ein niedriges Niveau sinken. Ursachen sind unter anderem die Auflösung von Polysulfiden (PS) im Elektrolyten und die darauffolgende irreversible Ablagerung von Schwefelspezies auf der Anode. Verschiedene Ansätze sollen die Lebensdauer von LSB verbessern: zum Beispiel die Verwendung von Elektrolyten mit geringer PS-Löslichkeit, die Einkapselung von Schwefelspezies in Kohlenstoffporen, der Austausch von Schwefel durch Metallsulfide oder die Verwendung von Polymer- und Festkörperelektrolyten. Die grundlegenden Prinzipien dieser Ansätze wurden im Vorgängerprojekt „AReLiS-1“ untersucht, welches sich stark auf die Reaktionen der Kathoden mit flüssigen Elektrolyten konzentrierte.
„AReLiS-2“ fokussiert Festkörper- und Polymerelektrolyte
Für die Entwicklung langzeitstabiler LSB liegt großes Potenzial in der Verwendung reiner Polymer-, Fest- und Hybridelektrolyte. Hierdurch ließe sich unter anderem die PS-Auflösung weiter reduzieren und das Aktivmaterial besser ausnutzen. Hier setzt „AReLiS-2“ an: Das Projekt konzentriert sich 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. Wir erwarten, dass die Untersuchungen gezielt ausgewählter Zellsysteme in ‚AReLiS-2‘ tiefe Einblicke in die entscheidenden Prozesse der jeweiligen Lithium-Schwefel-Batterien liefern werden“, betont Projektmanager Dr. Simon Wiemers-Meyer, stellvertretender Leiter des Forschungsbereichs „Analytik & Umwelt“ am MEET Batterieforschungszentrum.
Kooperationen/Finanzierung
Bis März 2023 arbeitet das MEET-Team in dem Projekt gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich, der Technischen Universität Dresden, des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (Fraunhofer IWS) Dresden, der Waseda University, Tokyo (Japan), des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Osaka (Japan), sowie der Tohoku University, Sendai (Japan). Auf der deutschen Seite fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung das Projekt mit rund 776.700 Euro.