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Montag, den 13. Januar 2025 um 04:37 Uhr

Lithium-Schwefel-Batterien im Taschenformat an BESSY II untersucht

Ein Team vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden hat neue Einblicke in Lithium-Schwefel-Pouchzellen gewonnen. Ergänzende Analysen im Imaging Labor des HZB und weitere Messungen zeigen aufschlussreiche Prozesse, die die Leistung und Lebensdauer dieses Batterietyps begrenzen.
Lithium-Schwefel-Batterien bieten Vorteile gegenüber klassischen Lithium-Akkus, da sie Schwefel als reichlich vorhandenen Rohstoff nutzen, ohne Kobalt oder Nickel auskommen und eine hohe spezifische Energiedichte von bis zu 500 Wh/kg erreichen können. Allerdings sind sie anfälliger für Degradationsprozesse: Beim Laden und Entladen entstehen gelöste Polysulfide und Schwefelphasen auf der Lithiumelektrode, die die Leistung und Lebensdauer verringern. "Diese Prozesse wollen wir durch unsere Forschung aufklären, um diesen Batterietyp gezielt zu verbessern", sagt Dr. Sebastian Risse vom HZB.

Er konzentriert sich auf Pouchzellen, ein in der Industrie weit verbreitetes Batterieformat. Am HZB Institut für "Elektrochemische Energiespeicherung (CE-IEES)", geleitet von Prof. Yan Lu, wurde ein Labor eingerichtet, das auf die Herstellung von Lithium-Schwefel-Batterien in diesem Format spezialisiert ist. Dort können verschiedene Varianten von Lithium-Schwefel-Batterien hergestellt und untersucht werden. Im Rahmen des BMBF-Projekts "SkaLiS", koordiniert von Dr. Risse, hat das Team zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden eine umfangreiche Studie veröffentlicht. Dabei wurden Batteriezellen in einem am HZB entwickelten Setup mit Methoden wie Impedanzspektroskopie, Temperaturverteilung, Kraftmessung und Röntgenbildgebung 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.

"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.

"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.


Den ganzen Artikel finden Sie unter:

https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=28906&sprache=de&seitenid=1

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (01/2025)


Publikation:
Advanced Energy Materials (2025): Multimodal Operando Analysis of Lithium Sulfur Multilayer Pouch Cells: An In-depth Investigation on Cell Component Design and Performance
Rafael Müller, Tom Boenke, Susanne Dörfler, Thomas Abendroth, Paul Härtel, Holger Althues, Stefan Kaskel, Nikolay Kardjilov, Henning Markötter, Michael Sintschuk, André Hilger, Ingo Manke, Sebastian Risse
DOI: 10.1002/aenm.202404256
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202404256

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