KoFaLiS

Entwicklung innovativer Li2S-Kompositmaterialien zur Steigerung der Zyklenfestigkeit und Hochstromfähigkeit von Lithium-Schwefel-Batterien (KoFaLiS)

Lithium-Schwefel-Batterien (LSB) haben das Potential Lithium-Ionen-Batterien (LIB) zu er­set­zen. Im Un­terschied zu LIB werden bei LSB auf der Kathode keine schweren, teuren oder tox­ischen Metalloxide, sondern die leichten und nicht giftigen Materialien Schwe­f­el S8 oder Li­thi­­um­sulfid Li2S verwendet. Somit können im Vergleich zu LIB eine bis zu drei­fach höhere Energie­dichte, eine deutliche Kostensenkung sowie eine bessere Nach­haltig­keit erreicht wer­den. Der Einsatz von Li2S als Aktivmaterial bietet im Ver­gleich zur Ver­wen­dung von S8 zu­dem den Vor­teil, dass auf das leicht brenn­ba­re Lithium als Anodenmaterial verzichtet werden kann, weil bereits Li2S als Lithiumquelle dient. Ein weiterer Vorteil liegt in dem deut­lich hö­he­ren Schmelz­punkt von Li2S (938 °C) im Vergleich zu S8 (115 °C). Ferner neigt S8 bereits bei Temperaturen von unter 100 °C zur Subli­ma­tion. Somit bietet die Modi­fi­zie­rung des schlecht elektrisch leit­fäh­igen Li2S mit Kohlen­stoff weitaus mehr Möglichkeiten als die von S8. Aktuelle Studien für LSB mit einer Li2S-Ka­tho­de zeigen zwar eine hohe erreichbare Kapazität bei geringer Strom­be­lastung auf, aber die Kapazität sinkt bei einer mittleren sowie ho­hen Strom­be­­las­tung deutlich ab. Bis zur Markt­rei­fe von LSB muss außerdem die Lang­zeit­sta­bilität deut­lich verbessert werden.

Die limitierte Hochstromfähigkeit von LSB wird auf die geringe elektrische Leitfähigkeit von Li2S sowie S8 zurückgeführt. Die geringe Zyklenstabilität von LSB kann generell über zwei Me­cha­nismen erklärt werden. Einerseits unterliegt die elektrochemische Umwandlung von S8 zu Li2S (und umgekehrt) einer Volumenänderung von 80 %. Die damit verbundene me­chanische Be­lastung führt zur Strukturzerstörung der Elektrode, zur elektrischen Isolation von Teilen der Elektrode und im schlimmsten Fall zur Delamination der Beschichtung vom Strom­ab­neh­mer, resultierend in einer Kapazitätsabnahme bis hin zum Aus­fall der Batteriezelle. Weiter­hin entstehen während des Zellbetriebs Lithiumpoly­sul­fide, im Elektrolyten lös­liche Zwi­schen­produkte. Die gelösten Polysulfide führen zu un­er­wünsch­ten Nebenreaktionen in der Bat­teriezelle, was zu einer Kapazitäts­ab­nah­me, ei­nem geringen Coulomb-Wirkungsgrad so­wie zur Erhöhung des Widerstands führt.

Cyclovoltammogramme der Elektrode von Kohlenstoffnanofasern mit einer Scanrate
von 50 µV/s im Spannungsbereich von 1,85 V bis 4,0 V.

Galvanostatische Zyklenleistung der Elektrode von Kohlenstoffnanofasern vom 1. bis zum 50. Zyklus,
durchgeführt in einer CR2032-Knopfzelle mit einem Glasfaserabscheider und in einem Spannungsbereich
von 1,85 V bis 2,6 V bei einer Stromrate von 0,1 C.

In diesem Projekt sollen maßgeschneiderte Stromabnehmer auf Basis von Kohlenstoffnano­fa­sern (CNF) per Elektrospinning am DTNW für LSB entwickelt werden. Im Vergleich zu Metall­fo­lien als Stromabnehmer wird somit ein porenreiches drei­di­men­sionales Leit­fähig­keits­netz­werk ge­ne­riert. Über die dreidimensionale Struktur des Stromabnehmers sollen auftretende me­­cha­­ni­schen Spannungen während des Zellbetriebs effektiv kompensiert werden. Durch die Wahl der Spinn­pa­rameter lassen sich die Durchmesser der Nano­fa­ser, sowie die Poren­geo­me­trie und die spezifische Oberfläche variieren und für die An­wen­dung opti­mie­ren. Dieses Nano­faser-Netzwerk wird bei der Elektrodenherstellung mit dem elek­trochemisch aktiven Material sowie mit den notwendigen Additiven gefüllt und ver­bes­sert so die elek­tri­sche Anbindung der elek­trisch schlecht leitfähigen Schwefelkomponenten un­tereinander und somit die Leit­fä­hig­keit der Elektrode. Durch das Einbringen von Precursoren für Übergangsmetall­oxi­de (z. B. TiO2 oder MnO2) oder –sulfide (z. B. MoS2 oder WS2) bzw. metallische Nanopartikel (z. B. Ag) während des Spinnvorganges können sowohl die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode weiter verbessert sowie ent­stehende Poly­sulfide ef­fek­tiv absorbiert werden.

Am ZBT erfolgen die Synthese von Li2S so­wie die Elektrodenherstellung auf Basis der CNF-Strom­­ab­neh­mer. Zu Beginn erfolgt auf Basis der Porengeometrie des Stromabnehmers die gezielte Ein­stellung der Partikelgröße von Li2S. Im weiteren Pro­jekt­ver­lauf soll Li2S mit Kohlen­stoff und Übergangsmetallsulfiden modifiziert werden, um die Hoch­strom­fähigkeit sowie die Stabilität von Li2S-Kathoden zu verbessern. An­schließend werden auf Basis der in­no­va­ti­ven Stromabnehmer und der hergestellten Aktiv­ma­te­rialien Elektroden her­gestellt und elek­tro­chemisch untersucht. Flankiert werden diese Un­ter­suchungen durch insitu-UV-VIS-Mes­sun­gen, um die Wirksamkeit der geplanten Maß­nah­men zur Adsorption der Polysulfide zu überprüfen.

Mit den in diesem Vorhaben adressierten Maßnahmen soll am Ende der Projektlaufzeit eine Zelle demonstriert werden, die


Forschungsthema:

KoFaLiS - Entw. neuartiger Stromabnehmer auf Basis von maßgeschneiderten Kohlenstoffnanofasern zur Verbesserung der Hochstromfähigkeit und Langzeitstabilität von Lithium-Schwefel-Batterien

IGF-Projekt-Nr.

21651N

Laufzeit:

01.03.2021 bis 31.08.2023

Ansprechpartner:

Dr. Thomas Mayer-Gall, Tel. +49-2151-843-2015,
Mail: Mayer-Gall@dtnw.de

Durchführende Forschungsstellen:

Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West gGmbH
Dr. Thomas Mayer-Gall
Adlerstr. 1, 47798 Krefeld Tel.: 02151 843-2015; Fax: 02151 843-2096
E-Mail: mayer-gall@dtnw.de

Zentrum für Brennstoffzellentechnik GmbH (ZBT)
Dr. Sebastian Wennig
Carl-Benz-Str. 201, 47057 Duisburg
Tel.: 0203 7598-2186; Fax: 0203 7598-2222
E-Mail: s.wennig@zbt.de