Analyse der Kathoden- und Elektrolytreaktionen in Lithium-Schwefel- und Lithium-Metallsulfid-Batterien - 2: Festkörperelektrolyte (AReliS-2)

Basic data for this project

Type of project: Participation in BMBF-joint project
Duration: 01/01/2022 - 31/10/2023

Description

Die aktuelle Batterieforschung betrachtet Lithium-Schwefel-Batterien (LSB) als einen möglichen Nachfolger heutiger Lithium-Ionen-Batterien. Schwefel als Kathodenmaterial bietet eine hohe Kapazität, niedrige Rohstoffkosten, einen geringen ökologischen Fußabdruck und weltweit verteilte Rohstoffreserven. Zu den größten Herausforderungen bei der LSB-Entwicklung gehören die Verlängerung ihrer Zyklenlebensdauer und die Erhöhung der Schwefelausnutzung. Ein übliches Alterungsphänomen von LSB ist dabei die Auflösung von Polysulfiden (PS) im Elektrolyten und, als Folge davon, die irreversible Ablagerung von Schwefelspezies auf der Anode. Es gibt eine Reihe von Ansätzen zur Verbesserung der Zyklenlebensdauer von LSB, z. B. die Verwendung von Elektrolyten mit geringer PS-Löslichkeit, die Einkapselung von Schwefelspezies in Kohlenstoffporen, der Austausch von Schwefel durch Metallsulfide oder die Verwendung von Polymerelektrolyten. Die grundlegenden Prinzipien dieser Ansätze wurden im Vorgängerprojekt "AReLiS-1" untersucht, welches sich stark auf die Reaktionen der Kathoden mit flüssigen Elektrolyten konzentrierte. Die Entwicklung und Anwendung fortschrittlicher Analysemethoden ermöglichte hierbei Einblicke in die chemischen Prozesse dieser Batteriesysteme und eröffnete damit Wege für bessere Elektrolyte. Für die Entwicklung langzeitstabiler LSB liegt, neben den Anpassungen der flüssigen Elektrolyte, großes Potential in der Verwendung reiner Polymer-, Fest- und Hybridelektrolyte. Hierdurch ließe sich u.a. die PS-Auflösung weiter reduzieren und die Aktivmaterialausnutzung weiter steigern. Das Projekt "AReLiS-2" konzentriert sich auf die Charakterisierung grundlegender Mechanismen, welche die Eigenschaften von Batterien bestimmen, die mit schwefelhaltigen Kathoden und Polymer- sowie Festkörper- und Hybrid-Elektrolyten betrieben werden. Die Arbeitspakete basieren auf den Ergebnissen und entwickelten Methoden von "AReLiS-1", wobei nicht nur Festkörperelektrolyte, sondern auch (Gel-)Polymerelektrolyte abdeckt werden. Damit stellt dieses Folgeprojekt eine wesentliche aber nahtlos anschließende Erweiterung von "AReLiS-1" dar. Es wird erwartet, dass die grundlegenden Untersuchungen geeigneter Festkörpersysteme im Rahmen dieses Projekts tiefe Einblicke in relevante Prozesse der jeweiligen Lithium-Schwefel-Batterien (LSB) liefern werden, um so Wege zur Anwendung von Batteriesystemen der nächsten Generation zu ebnen.

Keywords: Lithium-Metallsulfid-Batterien; Batterieforschung; Festkörperelektrolyte; Polymerelektrolyte; Schwefel; Batterie; Elektromobilität