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ZBT GmbH

Forschung an Lithium-Schwefel-Batterien am ZBT

In dem IGF-Vorhaben In dem IGF-Vorhaben15 EWN entwickelte ZBT gemeinsam mit den Projektpartnern der Universität zu Köln, Lehrstuhl für Anorganische und Materialchemie und der Universität Duisburg-Essen (UDE), Lehrstuhl Energietechnik, neuartige Elektroden für Lithium-Schwefel-Batterien auf der Basis von Lithiumsulfid (Li2S) als Kathodenmaterial.

Die Funktionsweise und Herausforderungen der Lithium-Schwefel-Batterien sind hier kurz dargestellt.

Die Universität zu Köln generierte auf Basis eines Elektrospinn-Prozesses ein Kompositmaterial aus Li2S, TiO2 sowie Kohlenstoff. Dieses Material bildete die Grundlage zur Entwicklung neuartiger Kathoden am ZBT (siehe Abbildung 1). Der eingebrachte Kohlenstoff verbessert dabei die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode und das Metalloxid trägt zur Reduktion des Polysulfid-Shuttle-Mechanismus bei. Die entstehenden Polysulfide werden an der Oberfläche des TiO2 adsorbiert, was der Ausschwemmung des Kathodenaktivmaterials entgegengewirkt. Dies führt zu einem höheren Coulomb-Wirkungsgrad und zu einem geringeren Kapazitätsverlust innerhalb der ersten Zyklen.    

Die entwickelten Kathoden weisen noch erhebliches Verbesserungspotenzial auf, z. B. bei der erreichbaren Hochstromfähigkeit und der Vermeidung von metallischem Lithium in der Vollzelle. Durch die Modifikation des Li2S ließ sich der Polysulfid-Shuttle-Mechanismus reduzieren, die vollständige Unterdrückung war nicht realisierbar. Das zeigt sich daran, dass Zellen mit einer von der Universität Duisburg-Essen entwickelten Anode nur bedingt ge- und entladen werden konnten.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden aktuell in mehreren Projekten verschiedene Ansätze zur Verbesserung von Lithium-Schwefel-Batterien mit Li2S-Kathoden erforscht.

Im Projekt „ILISKO“ (IGF-Vorhaben 21006 BG) liegt der Fokus auf der Steigerung der Hochstromfähigkeit sowie der Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien. Am ZBT erfolgt die Synthese von kohlenstoffmodifiziertem Li2S (siehe Abbildung 2) per carbothermischer Reduktion. Diese Materialien werden vom Leibnitz Institut für Plasmaforschung in Greifswald weiter modifiziert. Zum Einsatz kommt Magnetronsputtern für das Auftragen einer Nanographitschicht. Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung der Hochstromfähigkeit liegt in der Herstellung von Li2S/Kohlenstoffnanoröhren-Kompositen. Entsprechend modifizierte Materialien erhalten über plasmagestützte CVD-Verfahren eine Polymerschicht aus hochvernetzten und teilweise elektrisch leitfähigen Polymeren, um die Lebensdauer und die elektrische Partikelanbindung zu verbessern.

Erste Resultate zeigen, dass die Hochstromfähigkeit von Li2S-Kathoden deutlich verbessert wird, indem die Li2S-Partikel mit einer Nanographitschicht versehen werden.    

 

 

Im Projekt „EIS-LIS“ (IGF-Vorhaben 21119 N) erfolgt eine Anpassung des Zell- und Elektrodendesigns mit dem Ziel, den Polysulfid-Shuttle-Mechanismus so stark zu reduzieren, dass sich Zellen mit einer lithiummetallfreien Anode realisieren lassen. Am ZBT werden der Kathode unterschiedliche Metalloxide zugesetzt, um die Polysulfide in der Elektrode zu binden. Weitere Polysulfide, die sich noch im Elektrolyten befinden, sollen ebenfalls durch Metalloxide, die vom fem in Schwäbisch Gmünd per Sputterverfahren auf die Separatoren aufgebracht werden. zurückgehalten werden. Zur Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Metalloxide auf die Transportprozesse der Polysulfide entwickelte ZBT in diesem Vorhaben bereits eine in situ UV-VIS-Spektroskopie-Anordnung (Abbildung 3).

 

Erste Ergebnisse zeigen die gute Eignung verschiedener Metalloxide, sowohl für die Kathode als auch für die Separatoren, so dass sich eine Erhöhung des Coulomb-Wirkungsgrades und des Kapazitätserhalts erreichen lässt. Dank der in situ UV-VIS-Spektroskopie kann der Einfluss der Metalloxide auf das elektrochemische Verhalten interpretiert werden.

 

 

Im Projekt „KofaLiS“ mit der (IGF-Vorhaben 21651 N) werden in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Textilforschungszentrum Nordwest in Krefeld (DTNW) Li2S-Kathoden auf Basis von Kohlenstoffnanofaser-Stromabnehmern entwickelt. Durch die gezielte Anpassung des Stromabnehmers (Porenstruktur, Dicke, Zusatz von Metall- und Metalloxidpartikeln) am DTNW sowie des Li2S auf die Oberflächenchemie des Stromabnehmers (Verwendung unterschiedlicher Kohlenstoffpräkursoren) am ZBT soll sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die Langzeitstabilität von Lithium-Schwefel-Batterien verbessert werden.