Lithium-Schwefel-Batterien mit wenig Elektrolyt: Problemzonen identifiziert

Mit einer zerstörungsfreien Methode hat ein Team am HZB erstmals Lithium-Schwefel-Batterien im praktischen Pouchzellenformat untersucht, die mit besonders wenig Elektrolyt-Flüssigkeit auskommen. Mit operando Neutronentomographie konnten sie in Echtzeit visualisieren, wie sich der flüssige Elektrolyt während des Ladens und Entladens über mehrere Schichten verteilt und die Elektroden benetzt. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen, die zum Versagen der Batterie führen können, und sind hilfreich für die Entwicklung kompakter Li-S-Batterien mit hoher Energiedichte.

Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S-Batterien) gelten als eine der interessantesten Batterietechnologie der nächsten Generation. Li-S-Batterien können extrem hohe gravimetrische Energiedichten erreichen (z.B. über 700 Wh/kg gegenüber etwa 250 Wh/kg bei den derzeit modernsten Li-Ionen-Batterien), was sie besonders für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, in Robotern und in Elektrofahrzeugen mit großer Reichweite attraktiv macht. Zudem bietet das reichlich verfügbare Element Schwefel eine überzeugende Alternative zu kritischen und geopolitisch sensiblen Metallen wie Kobalt und Nickel, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.

Motivation: Gewicht sparen

Die praktische Energiedichte wird jedoch durch den hohen Gewichtsanteil inaktiver Materialien wie dem Elektrolyten eingeschränkt. Um die Energiedichte von Lithium-Schwefel-Batterien auf Zellebene zu erhöhen, gilt es daher die Elektrolytmenge zu reduzieren. Je weniger Elektrolyt jedoch in der Batteriezelle vorhanden ist, desto schwieriger wird es, die Elektroden vollständig zu benetzen. Eine unvollständige Benetzung stört jedoch die elektrochemischen Prozesse und führt zu einer schnelleren Alterung oder sogar zum Ausfall der Batterie. „Es kommt entscheidend darauf an, wie der Elektrolyt die Elektroden benetzt, in ihre Poren eindringt und sich in den Li-S-Zellen verteilt. Aufgrund der geschlossenen Bauweise der Batterien ist es jedoch äußerst schwierig, dies zerstörungsfrei zu beobachten“, sagt die HZB-Chemikerin Prof. Dr. Yan Lu, die die Studie geleitet hat.

Mit Neutronen ins Innere der Zelle "schauen"

Um die dynamische Benetzung der Batterien während des Ladens und Entladens in Li-S-Batteriesystemen zu beobachten, hat das Team um Yan Lu ein zerstörungsfreies Verfahren angewendet, die Neutronentomographie. Dafür stellte das Team zunächst mehrschichtige Li-S-Pouch-Zellen unter Einhaltung von industrierelevanten Parametern mit reduziertem Elektrolyten her. Dr. Ingo Manke und Dr. Nikolay Kardjilov aus der Bildgebungsgruppe des HZB untersuchten diese Proben mit Neutronen am Institut Laue-Langevin in Grenoble, um leichte Elemente wie Lithium und Wasserstoff mit höchster Genauigkeit zu lokalisieren.

Spannende Einblicke in Echtzeit

„So 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. Wir haben daraus einige interessante Erkenntnisse gewonnen“, sagt Yan Lu.

Während der Ruhephase der Batterie bei Leerlaufspannung sammelten sich insbesondere zu Beginn in lokalen Bereichen unbenetzte Stellen. Die Ruhephase verbessert die Benetzung zunächst, eine lange Ruhephase hat jedoch nur noch minimalen Einfluss auf die Gesamtbemetzung.

Die Entlade-/Ladevorgänge verbessern die Homogenität des Elektrolyten erheblich und fördern dadurch die elektrochemische Aktivierung von Schwefel, so dass die Kapazität der Batterien steigt. Das Team beobachtete erstmals 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“, sagt Dr. Liqiang Lu, Postdoktorand im Team von Yan Lu und Erstautor der Veröffentlichung.

„Dies ist ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der Mechanismen, die zur schnellen Alterung und zum Versagen solcher Systeme führen. Diese Erkenntnisse werden dazu beitragen, die Energiedichte von Li-S-Batterien zu erhöhen und gleichzeitig ihre Lebensdauer zu erhalten“, sagt Yan Lu.

Hinweis: Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Forschungsprogramms Batterie 2020 (SkaLiS) und des EU-Horizont-Projekts (HealingBat) gefördert.