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Batterieforschung Alternative zu Lithium Akkus durchleuchtet

Von Dr. Antonia Röger*

Lithium-Schwefel-Akkus im „Taschen-Format“ (Pouchzellen) haben deutlich höhere Energiedichten als konventionelle Lithium-Ionen-Akkus, altern allerdings rasch. Was dabei im Elektrolyt des Akkus passiert und wie sich unerwünschte Schwefelpartikel bilden, haben nun Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin untersucht.

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Die Radiographien zeigen die Zelle vor (l.) und nach der ersten Entladung (mitte) sowie nach der ersten Wiederaufladung (r.), die Schwefelpartikel sind als helle Flecken sichtbar. Das multimodale Messverfahren ermöglicht es, Pouchzellen mit unterschiedlichen Elektrolyten und Additiven zu vergleichen.
Die Radiographien zeigen die Zelle vor (l.) und nach der ersten Entladung (mitte) sowie nach der ersten Wiederaufladung (r.), die Schwefelpartikel sind als helle Flecken sichtbar. Das multimodale Messverfahren ermöglicht es, Pouchzellen mit unterschiedlichen Elektrolyten und Additiven zu vergleichen.
(Bild: R. Müller, S. Risse / HZB)

Berlin – Energiespeicher und dahin mitnehmen, wo sie gebraucht wird – dank Akkus ist das möglich. Für Anwendungen wie Smartphones aber auch Elektroautos werden die Leistungen und speicherbaren Energiemengen immer weiter verbessert. Ein vielversprechender Kandidat sind hier Lithium-Schwefel-Akkus (Li/S). Sie haben theoretisch eine Energiedichte von 2.500 Wattstunden/kg, was deutlich höher ist als in konventionellen Lithium-Ionen-Akkus. Außerdem verwenden Li/S-Akkus im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus umweltfreundlichere Kathodenmaterialien.

Doch es gibt ein Problem bei Li/S-Akkus: Mit zunehmender Anzahl von Ladezyklen verändert sich das aktive Material, die metallische Lithiumanode korrodiert, die Kapazität sinkt rasch. Mit neuen Elektrolyten und Additiven versuchen Wissenschaftler, diese Alterung zu bremsen. Bisher wurden jedoch v. a. Li/S-Akkus im Knopfzellendesign untersucht, wo diese Reaktionen sozusagen im Elektrolyten getränkt stattfinden.

Energie aus dem Taschenformat

Für die Industrie sind jedoch andere Formate wie Rundzellen (Tesla), prismatische Zellen (BMW Group) oder Pouchzellen, also Beutel- bzw. Taschenzellen (Volkswagen) von besonderem Interesse. In diesen Formaten ist die Elektrolytmenge äußerst gering, was besonders hohe Energiedichten ermöglicht. Am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) wurden nun erstmals multimodale operando Untersuchungen an Li/S Pouchzellen in dem BMBF-geförderten Projekt „HiPoLiS“ durchgeführt. In Zusammenarbeit mit Teams der TU Dresden sowie des Fraunhofer-IWS hat ein Team um Dr. Sebastian Risse einlagige Li/S-Zellen mit unterschiedlichen Elektrolyten untersucht. „Wir müssen zunächst die Prozesse in monolagigen Zellen verstehen, bevor wir auch mehrfache Lagen in Pouchzellen wissensbasiert optimieren können“, ist Risse überzeugt.

Einfluss des Elektrolyten untersucht

Für ihre Studie kombinierten die Forscher Auswertungen der Messdaten mit den Analysen der Röntgenradiographie, die in enger Kooperation mit der Gruppe um den HZB-Bildgebungsexperten Dr. Ingo Manke entstanden. „So konnten wir Aussagen über die Bildung und Ablagerung von Schwefelpartikeln und Polysulfiden im Lauf der Ladezyklen treffen“, sagt Dr. Rafael Müller, der als Postdoc in der Elektrochemie-Gruppe von Risse forscht. Dabei zeigte sich auch, wie stark der Einfluss des genutzten Elektrolyten auf die Partikelbildung ist.

In der Messzelle, die Müller zusammen mit Risse entwickelt hat, befinden sich unterschiedliche Sensoren: Sie erfassen wichtige Kenngrößen wie den Scheinwiderstand des Elektrolyten (elektrochemische Impedanz), die Temperatur, aber auch mechanische Kräfte auf den Elektroden. Zusätzlich wird die Pouchzelle während des gesamten Betriebs (operando) mit Röntgenlicht durchleuchtet, um eine Radiographie zu erstellen, aus der sich auf die chemischen Abscheidungsprozesse schließen lässt. Die Auswertung zeigt, wie sich der Elektrolyt auf die Bildung von unerwünschten Schwefelpartikeln und Polysulfiden auswirkt. In der Abbildung oben sind die Anordnung der Sensoren sowie die verschiedenen Zustände der Li/S Pouchzelle dargestellt. Drei Videos der Umwandlungsprozesse sind in der Originalpublikation unter „Supporting Information“ zu sehen.

Batterielabor am HZB

Um weitere Fortschritte auf Basis dieses Zellformats zu machen, wurde 2021 in der Abteilung Elektrochemische Energiespeicherung von Prof. Yan Lu ein Pouchzellenlabor aufgebaut. Zur Herstellung dieser Zellen werden rechteckige Elektroden in Scheckkartenformat aufeinandergestapelt und – lediglich von einer dünnen Separatorfolie getrennt – in eine versiegelbare Tasche (Pouch) gesteckt.

Pouchzellen benötigen im Vergleich zu Knopfzellen nur wenig Elektrolyt, um den Ladungstransport zu gewährleisten. Alle elektrochemischen Prozesse finden daher unter deutlich trockeneren Bedingungen statt. „Der notwendige Elektrolytmangel wirkt sich auf diese Prozesse sehr stark aus und muss daher direkt in einem industriell relevanten Zellformat untersucht werden“, sagt Risse.

Originalpublikation: Rafael Müller, Ingo Manke, André Hilger, Nikolay Kardjilov, Tom Boenke, Florian Reuter, Susanne Dörfler, Thomas Abendroth, Paul Härtel, Holger Althues, Stefan Kaskel, Sebastian Risse: Operando radiography and multimodal analysis of lithium-sulfur pouch cells – electrolyte dependent morphology evolution at the cathode, Advanced Energy Materials (2022); DOI: 10.1002/aenm.202103432

* Dr. A. Röger, Helmholtz-Zentrum Berlin, 14109 Berlin

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