Wissenschaftsteam intensiviert Forschung an Lithium-Schwefel-Batterien

Foto (MEET - Judith Kraft): Das Forschungsteam wird die elektrochemischen Prozesse innerhalb der Zellen weiter entschlüsseln. 

In dem internationalen Verbundprojekt „AReLiS-3“ setzt das MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster seine Forschung an Lithium-Schwefel-Batterien fort. Ziel des Projekts ist es, neuartige Zelldesigns, Materialien, Elektrodenbeschichtungen und Elektrolyte für schwefelbasierte Batteriesysteme zu entwickeln, zu untersuchen und zu optimieren. So möchte das Team die bisher noch rasante Alterung der Batteriezellen abfedern und den Weg für den technologischen und industriellen Durchbruch ebnen. Aufbauend auf den Ergebnissen der Vorgängerprojekte steht die noch tiefergehende Charakterisierung der Elektrodengrenzflächen im Fokus: Die Grenzflächen der Elektroden beeinflussen maßgeblich die Performanz der Zellen. Gleichzeitig treten dort besonders häufig negative Alterungseffekte auf. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert die deutschen Partner in dem auf knapp zweieinhalb Jahre angelegten Projekt mit rund 1,9 Millionen Euro.

Das Forschungsteam wird die elektrochemischen Prozesse innerhalb der Zellen mittels komplementärer analytischer Methoden weiter entschlüsseln. Ergänzend zu den schwefelbasierten Kathoden untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konventionelle Kathoden auf Nickel-Mangan-Kobalt-Basis und vergleichen sie miteinander. „Um einen weiteren Schritt in Richtung Anwendung zu gehen, werden wir die vielversprechendsten Lithium-Schwefel-Konzepte unter industrienahen Aspekten hochskalieren sowie in Pouch-Zellen zyklisieren, also mehrfach laden und entladen, und untersuchen“, erklärt Projektmanager Dr. Simon Wiemers-Meyer, stellvertretender Leiter des Forschungsbereichs „Analytik & Umwelt“ am MEET Batterieforschungszentrum.

Zum Hintergrund: Viele bisherige Lithium-Schwefel-Konzepte kämpfen mit dem Alterungsphänomen, dass sich im Elektrolyten lösliche Polysulfide an der Kathode bilden. Das verursacht eine irreversible Ablagerung von Schwefelspezies an der Anode. Die Folge: Bereits nach wenigen Lade- und Entladezyklen kann die Kapazität der Lithium-Schwefel-Batterien auf ein niedriges Niveau sinken. Ein Ansatz, dem entgegenzuwirken, ist die Verwendung fester Elektrolyte. In den Vorgängerprojekten „AReLiS-1 und -2“ haben sich die Wissenschaftler deshalb mit den Reaktionen der Kathoden in flüssigen, festen und hybriden Elektrolyten beschäftigt. Enormes Potenzial für langzeitstabile Lithium-Schwefel-Batterien liegt etwa in der Verwendung reiner Polymer-, Fest- und Hybridelektrolyte. Diese Elektrolyte reduzieren nicht nur die Polysulfid-Migration, sondern können auch dazu beitragen, die Aktivmaterialien verstärkt auszunutzen. Auf Basis der tieferen Einblicke in die chemischen Prozesse entwickelte das Team neue Materialien für Lithium-Schwefel-Konzepte sowie neue Methoden für deren Analyse.

In dem Projekt arbeiten das Team des MEET gemeinsam mit Wissenschaftlern des Helmholtz Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich, der Technischen Universität Dresden, dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Fraunhofer IWS) Dresden, der Waseda Universität (Japan), dem National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Japan), der Tohoku Universität (Japan) sowie der Kyushu Universität (Japan). Die Projektlaufzeit ist von November 2023 bis März 2026.