Lithium-Schwefel-Batterien: Problemzonen aufgedeckt

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) haben mithilfe einer neuen Methode Lithium-Schwefel-Batterien im praxisrelevanten Pouchzellenformat analysiert, die mit einer reduzierten Menge an Elektrolyt-Flüssigkeit funktionieren. Durch den Einsatz von Neutronentomografie gelang es ihnen, in Echtzeit darzustellen, wie sich der flüssige Elektrolyt während der Lade- und Entladevorgänge über verschiedene Schichten verteilt und die Elektroden benetzt. Diese Erkenntnisse liefern wichtige Einblicke in die Mechanismen, die zum vorzeitigen Versagen der Batterie führen können. Zudem sind sie von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung kompakter Li-S-Batterien mit einer hohen Energiedichte und einer verbesserten Lebensdauer.

Im Vergleich zu den derzeit modernsten Lithium-Ionen-Batterien, die eine Energiedichte von etwa 250 Wh/kg aufweisen, besitzen Lithium-Schwefel-Batterien das Potenzial, extrem hohe gravimetrische Energiedichten von mehr als 700 Wh/kg zu erreichen. Diese herausragende Eigenschaft macht sie besonders attraktiv für den Einsatz in verschiedenen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Robotik sowie bei Elektrofahrzeugen mit großer Reichweite. Ein weiterer Vorteil der Li-S-Batterien besteht darin, dass das reichlich verfügbare Element Schwefel eine überzeugende Alternative zu kritischen und geopolitisch sensiblen Metallen wie Kobalt und Nickel darstellt, die in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Dennoch wird die praktische Energiedichte durch den hohen Gewichtsanteil inaktiver Materialien, insbesondere des Elektrolyten, eingeschränkt.

Herausforderung für Li-S-Batterien: Reduzierte Elektrolytmenge

Um die Energiedichte von Lithium-Schwefel-Batterien auf Zellebene zu steigern, ist es nötig, die Elektrolytmenge zu reduzieren. Je geringer jedoch die Menge an Elektrolyt in der Batteriezelle ist, desto schwieriger gestaltet sich die vollständige Benetzung der Elektroden. Eine unzureichende Benetzung wiederum beeinträchtigt die elektrochemischen Prozesse und führt zu einer beschleunigten Alterung oder sogar zum Ausfall der Batterie. „Die Art und Weise, wie der Elektrolyt die Elektroden benetzt, in ihre Poren eindringt und sich in den Li-S-Zellen verteilt, spielt eine entscheidende Rolle. Aufgrund der geschlossenen Bauweise der Batterien ist es jedoch äußerst schwierig, diese Vorgänge zerstörungsfrei zu beobachten“, erklärt die HZB-Chemikerin Yan Lu,  Leiterin der Studie.

Zur zerstörungsfreien Untersuchung der dynamischen Benetzung der Batterien während des Ladens und Entladens in Li-S-Batteriesystemen setzte das Forschungsteam die Neutronentomografie ein. Zunächst stellten die Forschenden mehrschichtige Li-S-Pouch-Zellen her, wobei sie industrierelevante Parameter berücksichtigten und die Elektrolytmenge reduzierten. Anschließend untersuchten Ingo Manke und Nikolay Kardjilov aus der Bildgebungsgruppe des HZB diese Proben mit Neutronen am Institut Laue-Langevin in Grenoble. Durch den Einsatz von Neutronen war es möglich, leichte Elemente wie Lithium und Wasserstoff mit höchster Genauigkeit zu lokalisieren. „Auf diese Weise konnten wir erstmals in Echtzeit beobachten, wie sich der flüssige Elektrolyt verhält und wie sich die Benetzung in den verschiedenen Schichten einer Pouch-Zelle im Laufe der Zeit lokal verändert. Daraus haben wir einige interessante Erkenntnisse gewonnen“, sagt Yan Lu.

Lithium-Schwefel-Batterien: Neutronentomografie liefert Einblicke

Die Forschenden stellten fest, dass sich während der Ruhephase der Batterie bei Leerlaufspannung, insbesondere zu Beginn, in einigen Bereichen unbenetzte Stellen sammelten. Obwohl die Ruhephase zunächst die Benetzung verbessert, hat eine längere Ruhephase nur noch einen minimalen Einfluss auf die Gesamtbenetzung. Im Gegensatz dazu tragen die Entlade- und Ladevorgänge erheblich zur Verbesserung der Homogenität des Elektrolyten bei. Dadurch wird die elektrochemische Aktivierung von Schwefel gefördert, was zu einer Steigerung der Kapazität der Batterien führt. Zum ersten Mal beobachtete das Forschungsteam periodische Prozesse bei der Elektrolytenbenetzung, die mit der Auflösung und Ausfällung von Schwefelverbindungen korrelieren. „Das dynamische Benetzungsverhalten des Elektrolyten unterscheidet sich aufgrund der besonderen Chemie von Li-S-Systemen deutlich von dem herkömmlicher Li-Ionen-Batterien“, erklärt Dr. Liqiang Lu, Postdoktorand im Team von Yan Lu und Erstautor der Veröffentlichung.

Die Erkenntnisse leisten einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Mechanismen, die zur schnellen Alterung und zum Versagen von Lithium-Schwefel-Batterien führen können. Durch die Anwendung der zerstörungsfreien Neutronentomografie konnten die Forschenden wertvolle Einblicke in die dynamischen Benetzungsprozesse des Elektrolyten gewinnen, die für die Optimierung dieser Batterietechnologie von entscheidender Bedeutung sind. „Die Ergebnisse unserer Studie werden dazu beitragen, die Energiedichte von Li-S-Batterien zu erhöhen und gleichzeitig ihre Lebensdauer zu erhalten“, betont Yan Lu. Dadurch sollen sich künftig kompakte und leistungsstarke Lithium-Schwefel-Batterien entwickeln lassen, die dann in Bereichen wie der Elektromobilität oder der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz kommen könnten.

Forschungsförderung für Lithium-Schwefel-Batterien

Die vorgestellte Forschungsarbeit zu Lithium-Schwefel-Batterien wurde durch Fördermittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Forschungsprogramms Batterie 2020 (SkaLiS) sowie durch das EU-Horizont-Projekt (HealingBat) unterstützt. Diese Förderung unterstreicht die Bedeutung neuer Batterietechnologien für die Zukunft. Durch die gezielte Unterstützung von Forschungsprojekten wie diesem trägt das BMBF dazu bei, die Energiewende voranzutreiben und die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands im Bereich der Energiespeicherung zu stärken.