Forschung zu ultraleichten Hochenergiebatterien Lithium-Schwefel-Batterien ohne flüssigen Elektrolyt

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Lithium-Schwefel-Batterien könnten sich als Alternative zu den verbreiteten Lithium-Ionen-Systeme etablieren. Noch bereitet der flüssige Elektrolyt allerdings Probleme in der Anwendung. Fraunhofer Forscher entwickeln deshalb eine weitgehend feste Zellarchitektur und zielen in zwei Projekten auf den Anwendungsfall in Luftfahrt, Drohnentechnologie und Elektromobilität.

Lithium-Schwefel-Batterien gelten als aussichtsreiche Alternative zu etablierten Lithium-Ionen-Systemen. Doch aktuelle Lithium-Schwefel-Zellen erreichen nur begrenzte Zyklenzahlen, da der verwendete flüssige Elektrolyt die Bildung löslicher Polysulfide begünstigt. Diese Nebenprodukte führen zu unerwünschten Materialverlusten und beschleunigtem Abbau der Zyklenstabilität. Um bestehende technologische Hürden dieser Zellchemie zu überwinden, erforscht das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS gemeinsam mit Partnern eine neue Zellarchitektur mit reduziertem Elektrolytanteil und angepasster Festkörperchemie.

Die Forschungsarbeiten in zwei Projekten am IWS verfolgen ein alternatives Konzept: Die direkte Umwandlung von Schwefel zu festem Lithiumsulfid in einem weitgehend festen Zellkonzept, ganz ohne flüssigen Elektrolyten.

Erste Laborergebnisse deuten darauf hin, dass mit dieser Architektur in Zukunft eine spezifische Energiedichte von über 600 Wattstunden pro Kilogramm bei stabilen Zykleneigenschaften technisch erreichbar ist. Damit würden die Zellen mehr als doppelt so viel Energie pro Kilogramm speichern als die etablierten Lithium-Ionen-Batterien.

Covalent Organic Frameworks

Radikal verbesserte Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien

Projekt Ansilis: Materialentwicklung, Simulation und Zellintegration

Im Projekt Ansilis steht die Entwicklung einer Schwefel-Kohlenstoff-Kompositkathode im Mittelpunkt. Diese soll in Kombination mit einer dünnen Lithium-Metall-Anode und einem hybriden Elektrolytsystem in minimaler Menge untersucht werden. Die TU Dresden und die Universität Jena erforschen die elektrochemischen Wechselwirkungen zwischen Elektrolyt und Aktivmaterial. Das Helmholtz-Zentrum Berlin bringt seine Expertise in der Operando-Analytik und 3D-Tomographie ein. Molekulardynamische Simulationen begleiten die Zellentwicklung, um Stabilität und Kompatibilität der Komponenten auf verschiedenen Skalen präzise bewerten zu können.

Projekt Talissman: Skalierung und industrielle Validierung

Das EU-Projekt Talissman ergänzt diese Arbeiten um die Aspekte der industriellen Skalierung und Anwendungsvalidierung. Koordiniert vom baskischen Institut Cidetec entwickeln neun Partner aus Spanien, Frankreich, Italien und Deutschland zwei Zellgenerationen für den Einsatz in elektrischen Mobilitätslösungen. Das Ziel: Sie wollen Energiedichten bis zu 550 Wattstunden pro Kilogramm realisieren und nicht brennbare Quasi-Festelektrolyte integrieren. Zusätzliches Ziel ist es, die Herstellungskosten auf unter 75 Euro pro Kilowattstunde zu senken. Die Zellarchitektur soll mit bestehenden Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien kompatibel bleiben.

Integration neuer Werkstoffe und Prozesse in prototypische Batteriezellen

In den beiden Forschungsprojekten übernimmt das Fraunhofer IWS die Rolle des systemintegrierenden Entwicklungspartners. Chemisches Grundverständnis, Werkstoffwissen, verfahrenstechnische Erfahrung und eine anwendungsnahe Pilotfertigung greifen dabei nahtlos ineinander.

Die Forschungsarbeit beginnt mit der gezielten Formulierung von Pulvern, Pasten und Trockenmischungen für unterschiedliche Elektrodenherstellungsverfahren. Eine Schlüsselrolle übernimmt das Drytraec-Verfahren des Fraunhofer IWS. Diese Trockenbeschichtung arbeitet lösungsmittelfrei und verpresst die Materialien zu stabilen Filmen. Der energieintensive Trocknungsschritt entfällt vollständig. Der Prozess senkt den Energiebedarf um bis zu 30 Prozent, reduziert CO₂-Emissionen deutlich und lässt sich im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf industrielle Breiten skalieren. Das Beschichtungsverfahren eignet sich damit ideal für die Überführung neuer Materialien in die Massenfertigung.

Die einzelnen Fertigungsschritte erfolgen im Avanced Battery Technology Center (ABTC) des Dresdner Instituts. Dieses verfügt über eine hochflexible Linie für die Elektrodenherstellung mit klassischer Pastenbeschichtung oder Drytraec, laserbasiertem Schneiden unter Trockenluft, Mehrlagen-Stapeln, thermischem Versiegeln sowie Formierung und zyklischer Alterung. In Kombination mit Analytik und Prozesssimulation entsteht ein durchgängiger Entwicklungsprozess aus einer Hand.

Das Fraunhofer IWS liefert somit nicht nur Laborergebnisse, sondern anwendungsnahe Demonstratoren. Die Zellen werden umfassend elektrochemisch charakterisiert. Industriepartner aus Luftfahrt, Drohnentechnologie und Elektromobilität profitieren von geringem Entwicklungsrisiko, beschleunigtem Technologietransfer und einer wirtschaftlich tragfähigen Zellfertigung. Energiedichten über 600 Wattstunden pro Kilogramm und spezifische Kosten unter 75 Euro pro Kilowattstunde rücken in greifbare Nähe.

Anwendungsfelder im Fokus

Luftfahrt, unbemannte Flugsysteme und tragbare Energiespeicher stellen hohe Anforderungen an das Verhältnis von Gewicht zu Leistung. Die im Rahmen von Ansilis und Talissman verfolgten Zellkonzepte adressieren diese Szenarien. Das Zusammenspiel aus optimierter Materialwahl, analytischer Tiefenschärfe und prozessnaher Entwicklung soll Lithium-Schwefel-Batterien künftig dort den Einsatz zulassen, wo konventionelle Technologien an Grenzen stoßen. Funktionsfähige Prototypen sollen die angestrebten Resultate in den nächsten Jahren validieren.

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