Helmholz Zentrum Berlin erforscht Lithium-Schwefel-Akkus im Pouchzellenformat

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Lithium-Schwefel-Akkus (Li/S) haben theoretisch eine Energiedichte von 2.500 Wattstunden pro Kilogramm, deutlich mehr als die konventioneller Lithium-Ionen-Akkus. Ein weiterer Vorteil der Li/S-Akkus sind ihre umweltfreundlicheren Kathodenmaterialien. Allerdings verändert sich mit zunehmender Anzahl von Ladezyklen das aktive Material – die metallische Lithiumanode korrodiert, die Kapazität sinkt rasch.

Mit innovativen Elektrolyten und raffinierten Additiven versuchen Forscher, diese Alterung zu bremsen. Bisher haben sie jedoch vor allem Li/S-Akkus im Knopfzellendesign untersucht, wo diese Reaktionen sozusagen im Elektrolyten getränkt stattfinden. Für die Industrie sind jedoch andere Formate wie Rundzellen (Tesla), prismatische Zellen (BMW Group) oder Pouchzellen (Volkswagen) von besonderem Interesse. In diesen Formaten ist die Elektrolytmenge äußerst gering, was besonders hohe Energiedichten ermöglicht.

Am Helmholz Zentrum Berlin (HZB) haben Wissenschaftler nun erstmals multimodale Untersuchungen an Li/S-Pouchzellen im Betrieb durchgeführt. In Zusammenarbeit mit Teams der TU Dresden sowie des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS hat ein Team um Sebastian Risse einlagige Li/S-Zellen mit unterschiedlichen Elektrolyten untersucht. „Wir müssen zunächst die Prozesse in monolagigen Zellen verstehen, bevor wir auch mehrfache Lagen in Pouchzellen wissensbasiert optimieren können“, erklärt Risse. Die Auswertung zeigt, wie sich der Elektrolyt auf die Bildung von unerwünschten Schwefelpartikeln und Polysulfiden auswirkt. Die Studie ist im Fachjournal Advanced Energy Materials veröffentlicht.

Einfluss des genutzten Elektrolyten auf die Partikelbildung

Für ihre Studie kombinierten die Forscher Auswertungen der Messdaten mit den Analysen der Röntgenradiographie, die in Kooperation mit der Gruppe um den HZB-Bildgebungsexperten Ingo Manke entstanden. „So konnten wir Aussagen über die Bildung und Ablagerung von Schwefelpartikeln und Polysulfiden im Lauf der Ladezyklen treffen“, sagt Rafael Müller, der als Postdoc in der Elektrochemie-Gruppe von Risse forscht. Dabei zeigte sich auch, wie stark der Einfluss des genutzten Elektrolyten auf die Partikelbildung ist.

In der multimodalen Messzelle, die Müller zusammen mit Risse entwickelt hat, befinden sich unterschiedliche Sensoren. Sie erfassen die elektrochemische Impedanz, die Temperatur, aber auch mechanische Kräfte auf den Elektroden. Zusätzlich wird die Pouchzelle während des gesamten Betriebs mit Röntgenlicht durchleuchtet, um eine Radiographie zu erstellen, aus der sich auf die chemischen Abscheidungsprozesse schließen lässt. Die Abbildung zeigt hierbei die Anordnung der Sensoren und die verschiedenen Zustände der Li/S Pouchzelle.

Die Radiographien zeigen die Zelle vor (links) und nach der ersten Entladung (mitte) sowie nach der ersten Wiederaufladung (rechts), die Schwefelpartikel sind als helle Flecken sichtbar. Das multimodale Messverfahren ermöglicht es, Pouchzellen mit unterschiedlichen Elektrolyten und Additiven zu vergleichen.

Bild: R. Müller, S. Risse / HZB

Um weitere Fortschritte auf Basis dieses Zellformats zu machen, hat die HZB-Abteilung Elektrochemische Energiespeicherung von Yan Lu im letzten Jahr ein Pouchzellenlabor aufgebaut.  Zur Herstellung dieser Zellen werden rechteckige Elektroden in Scheckkartenformat aufeinandergestapelt und – lediglich von einer dünnen Separatorfolie getrennt – in eine versiegelbare Tasche (Pouch) gesteckt. Pouchzellen benötigen im Vergleich zu Knopfzellen nur wenig Elektrolyt, um den Ladungstransport zu gewährleisten. Alle elektrochemischen Prozesse finden daher unter deutlich trockeneren Bedingungen statt. „Der notwendige Elektrolytmangel wirkt sich auf diese Prozesse sehr stark aus und muss daher direkt in einem industriell relevanten Zellformat untersucht werden“, sagt Risse.

HZB hat Folgeprojekte eingeworben

Die Arbeit der Wissenschaftler hat das Bundesforschungsministerium (BMBF) im Rahmen des Projektes „HiPoLiS“ gefördert. Aufbauend darauf hat das HZB ein weiteres BMBF-Projekt mit insgesamt sechs Partnern namens „SkaLiS“ eingeworben, das im Juli 2021 gestartet ist und von Sebastian Risse koordiniert wird. Hier stehen nun mehrlagige Pouchzellen mit optimierter Kathodenstruktur und verbesserter Elektrolytzusammensetzung (TU Dresden) im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten. Der Materialansatz reicht hierbei von eigens hierfür synthetisierten nanoskopischen Partikeln (Yan Lu) bis zur makroskopischen Kathodenstrukturierung (Fraunhofer IWS). Die neuen Materialansätze werden von den AGs Manke und Risse in Zusammenarbeit mit der TU Berlin analysiert.

Außerdem hat das HZB ein neues, von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt koordiniertes EU-Projekt zur Metrologie der Operando-Messungen und Festlegung von EU-Standards und ISO-Normen eingeworben, das voraussichtlich im September 2022 startet. Sebastian Risse leitet hierbei ein Arbeitspaket für Operando-Impedanzspektroskopie.

 

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