Lithium-Schwefel-Batterien im Taschenformat an BESSY II durchleuchtet

Neue Einblicke in Lithium-Schwefel-Pouchzellen hat ein Team aus HZB und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden an der BAMline von BESSY II gewonnen. Ergänzt durch Analysen im Imaging Labor des HZB sowie weiteren Messungen ergibt sich ein neues und aufschlussreiches Bild von Prozessen, die Leistung und Lebensdauer dieses industrierelevanten Batterietyps begrenzen. Die Studie ist im renommierten Fachjournal "Advanced Energy Materials" publiziert.

Lithium-Schwefel-Batterien besitzen im Vergleich zu klassischen Lithium-Akkus einige Vorzüge: Sie nutzen Schwefel als reichlich vorhandenen Rohstoff, kommen ohne das kritische Element Kobalt aber auch ohne Nickel aus und können eine enorm hohe spezifische Energiedichte erreichen. Prototypzellen schaffen heute bereits bis zu 500 Wh/kg, fast doppelt so viel wie aktuelle Lithium-Ionen-Batterien.

Degradationsprozesse im Blick

Allerdings sind Lithium-Schwefel-Batterien bislang deutlich anfälliger für Degradationsprozesse: Beim Laden und Entladen bilden sich gelöste Polysulfide und Schwefelphasen auf der Lithiumelektrode, die die Leistung und Lebensdauer der Batterie zunehmend verringern. „Diese Prozesse wollen wir durch unsere Forschung aufklären, mit dem Ziel, diesen Batterietyp gezielt zu verbessern“, sagt der HZB-Physiker Dr. Sebastian Risse, der am HZB ein Team zur operando Analyse von Batterien leitet.

Batterie im Taschenformat

Dabei konzentriert er sich auf so genannte Pouchzellen, ein Batterieformat, das in der Industrie weit verbreitet ist. Am HZB Institut „Elektrochemische Energiespeicherung (CE-IEES)“, das von Prof. Yan Lu geleitet wird, wurde daher ein Labor eingerichtet, das auf die Herstellung von Lithium-Schwefel-Batterien in diesem „Taschenformat“ spezialisiert ist. Hier können die unterschiedlichsten Varianten von Lithium-Schwefel-Batterien im Taschenformat hergestellt und untersucht werden. Im Rahmen des BMBF Projekts „SkaLiS“, das von Risse koordiniert wird, hat nun das Team um Risse zusammen mit einer Gruppe  aus dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden eine umfangreiche Studie zu Lithium-Schwefel-Pouchzellen im Fachjournal Advanced Energy Materials veröffentlicht.

Methodenvielfalt

Dafür wurden Batteriezellen in einem am HZB entwickelten Setup mit unterschiedlichen Methoden wie Impedanzspektroskopie, Temperaturverteilung, Kraftmessung und Röntgenbildgebung (Synchrotron- und Laborquelle) während des Auf- oder Entladens untersucht. „Wir haben dabei erstmals sowohl die Bildung von Lithium-Dendriten als auch die Auflösung bzw. Bildung von Schwefelkristalliten während des multilagigen Batteriebetriebs beobachten und dokumentieren können“, sagt Dr. Rafael Müller, HZB-Chemiker und Erstautor der Studie.

Radiographie an der BAM-Beamline

„Insbesondere die Phasenkontrastradiographie mit kohärentem Synchrotronlicht an der BAM-Beamline am BESSY II ermöglichte es uns, die nur wenig absorbierende Lithiummetallmorphologie zu verfolgen. Diese Einblicke konnten wir mit anderen Messdaten korrelieren und so ein umfassendes Bild erstellen.“ Mithilfe von Röntgenanalysen im Imaging-Labor des HZBs in Kooperation mit der Gruppe von Dr. Ingo Manke gelang es darüber hinaus, die Bildung von stark absorbierenden Schwefelkristallen während des Batteriebetriebs zu analysieren.

Ausblick: Hochenergiebatteriesysteme

„Unsere Ergebnisse schlagen eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und Technologietransfer, insbesondere ermöglichen sie auch Schlussfolgerungen in Bezug auf die Skalierbarkeit dieser Batterietechnologie und für die Weiterentwicklung von Hochenergiebatteriesystemen“, sagt Risse. Unter anderem zeigte das Team, dass ein neuer Designansatz des IWS Dresden vielversprechend ist: Der perforierte und damit deutlich leichtere Kathodenstromkollektor beeinträchtigt die Leistung der Zelle nicht.

Die Ergebnisse dieser Studie werden dazu beitragen, die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien zu optimieren, damit dieser vielversprechende Batterietyp die Anforderungen an mobile und stationäre Energiespeichersysteme erfüllen kann.