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02.10.2017 | Batterie | Nachricht | Onlineartikel

Projekt Liscell verbessert Lithium-Schwefel-Batteriezellen

Autor:
Christiane Köllner

Forscher haben Fortschritte bei Lithium-Schwefel-Batteriezellen gemacht. Unter anderem haben sie die Möglichkeit der Wiederaufladung der Batterien um ein Vielfaches erhöht und die Herstellungskosten gesenkt.

Forscher verschiedener Fraunhofer-Institute haben Lithium-Schwefel-Batteriezellen weiterentwickelt.  An der Weiterentwicklung der Batteriezellen auf der Basis neuer Kathoden, Elektrolyten und Anoden wurde im Rahmen des Verbundprojektes Liscell in den letzten drei Jahren geforscht. Ziel war es, die Lithium-Schwefel-Technik für die Elektromobilität weiter zu erschließen.

Zellen aus Lithium-Schwefel (Li-S) erreichen zwar bereits heute bis zu 40 Prozent höhere Energiedichten (bis 400 Wh/kg) als die besten Li-Ionen-Zellen, können allerdings nur 50 bis 100-mal wiederaufgeladen und genutzt werden. Grund dafür sind Zersetzungsreaktionen des Elektrolyten an der Anoden-Oberfläche, die aus metallischem Lithium besteht. Auf diese Herausforderung fokussierten sich die Wissenschaftler und haben ein Zellkonzept auf Basis von Silizium-Legierungs-Anoden zur Substitution des metallischen Lithiums entwickelt.

Vorteile der Si-Anoden-Technik

Am Fraunhofer IWS konnte dieses neue Anoden- und Zellkonzept in Li-S- und Li-Ionen-Prototypzellen umgesetzt und demonstriert werden. Hier entstanden auch neue Lösungen für die Fertigung der Schwefelkathoden. Dr. Holger Althues, Konsortialführer und Leiter der Abteilung Chemische Oberflächen- und Barrieretechnik am Fraunhofer IWS, erläutert: “Mit dem Trockenfilmverfahren des Fraunhofer IWS lassen sich die pulverförmigen Aktivmaterialien ohne Einsatz von Lösungsmitteln in hochkapazitive Elektroden verarbeiten."

Die Vorteile der Si-Anoden-Technik seien in Sicherheitstests des Fraunhofer ICT herausgearbeitet worden: Li-S-Zellen hätten einen deutlichen Vorsprung gegenüber herkömmlichen Energiespeichern, so die Forscher: Sie besäßen eine hohe Toleranz gegenüber Überladung und thermischer Beanspruchung. Mit der Si-Anode haben ein thermisches Durchgehen der Zellen selbst oberhalb 300 °C vermieden werden können.

Kostengünstiges Fertigungsverfahren

Eine präzise Kenntnis von Lade- und Alterungszustand bilde laut den Forschern die Voraussetzung für den zuverlässigen Batteriebetrieb. Die konventionelle Ladezustandsbestimmung versage jedoch bei dieser neuen Zelltechnik. "In der geschickten Kombination von daten- und modellbasierten Bestimmungsmethoden für Ladung und Alterung liegt der Schlüssel für die praktische Anwendung" ergänzt Dr. Ulrich Potthoff vom hierfür verantwortlichen Fraunhofer IVI.

Schließlich galt es, geeignete kostengünstige und effiziente Fertigungsverfahren zu erproben. "Mit einer neuen Vakuum-Beschichtungstechnologie konnten Silizium-Schichten mit einer speziellen Mikrostruktur im Rolle-zu-Rolle-Verfahren beidseitig auf dünnen Stromkollektorfolien aus Kupfer abgeschieden werden“, fasst Dr. Nicolas Schiller, Bereichsleiter „Flache und Flexible Produkte", die Ergebnisse des Fraunhofer FEP zusammen. "Die Schichten erwiesen sich sowohl für Li-S-Zellen als auch für Li-Ionen-Zellen als geeignetes Anodenmaterial mit deutlichem Steigerungspotential hinsichtlich der Volumenenergiedichte gegenüber herkömmlichen Lösungen."

Über das Verbundprojekt Liscell

Das von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderte Verbundprojekt Liscell ist im Mai 2017 beendet worden. Am Projekt beteiligt waren die die Fraunhofer-Institute für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP und für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI aus Dresden sowie das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT aus Pfinztal.

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01.09.2015 | 10 Jahre ATZelektronik | Sonderheft 7/2015

„Post-Lithium-Ionen-Zellen könnten vor 2030 kommen“

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