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25.06.2024

27.04.2023

Schwefel und Silizium als Bausteine für Feststoffbatterien

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Eine neue Generation von Lithium-Schwefel-Batterien steht im Fokus des Forschungsprojekts "MaSSiF - Materialinnovationen für Schwefel-Silizium-Festkörperbatterien". Das Projektteam widmet sich dem Design, Aufbau und der Bewertung von leichten und kostengünstigen Prototypzellen auf Schwefelbasis mit hohen Speicherkapazitäten.

Der Einsatz von Silizium als Anodenmaterial soll zudem die Langlebigkeit der Batteriezellen entscheidend verbessern. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden sechs Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft mit einer Gesamtsumme von knapp 2,9 Millionen Euro. Der Startschuss für das Projekt fiel im Februar 2023.

Feststoffbatterien auf Sulfidbasis gelten als mögliche Nachfolgetechnologie für heutige Lithium-Ionen-Batterien und versprechen durch Ihre hohe Energiedichte und Stabilität eine größere Reichweite sowie Sicherheit für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Als besonders vielversprechend gilt die Kombination mit Schwefel als Kathodenaktivmaterial. Ohne die kritischen Elemente Kobalt und Nickel, die in der Lithium-Ionen-Technik zum Einsatz kommen, erreicht Schwefel in Feststoffbatterien sehr hohe Energiedichten.

Große Herausforderungen bringt jedoch die Anode sowohl in der Verarbeitung als auch im Betrieb der Batterie mit sich. Ziel der aktuellen Forschungsarbeiten ist es, metallisches Lithium als negative Elektroden in Feststoffbatterien einzusetzen. Die hohe Reaktivität des Lithiums begrenzt jedoch die Stabilität und Sicherheit solcher Zellsysteme.

Im Rahmen des BMBF-Projekts "MaSSiF" setzen die Projektpartner daher auf ein Anodenmaterial, das sich in aktuellen Forschungsarbeiten auch im Einsatz in Feststoffbatterien als vielversprechende Alternative bewährt hat: Silizium. In der Kombination von Schwefel (bzw. Lithiumsulfid), einem Festelektrolyten und Silizium soll ein innovatives Zellkonzept entstehen, das geringe Materialkosten und hohe Energiedichte vereint.

Effizienzvorteile im Verbund erzielen

Das Projekt "MaSSiF" involviert Forschungseinrichtungen und industrielle Hersteller aller notwendigen Schlüsselkomponenten zur Untersuchung der grundlegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sowie zur Verarbeitung und Auslegung von Komponenten und Zellen. Auf diese Weise sollen Batteriezellen mit 350 Wattstunden pro Kilogramm und einer Lebensdauer von mehr als 300 Zyklen entstehen. Neben der hohen spezifischen Energie sollen sich dank günstiger, nachhaltiger Rohstoffe und einer kurzen, lokalen Lieferkette deutliche Kostenvorteile gegenüber heutigen Li-Ionen-Batterien ergeben.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)