Schwefel und Silizium als Bausteine für die Feststoffbatterie

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Sehr leicht und kostengünstig: Hohe Speicherkapazitäten und geringe Materialkosten soll die Erforschung und Entwicklung einer neuen Batteriegeneration auf Schwefelbasis ermöglichen. | Copyright: © Fraunhofer IWS | Download

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Projektlogo MaSSiF. | Copyright: © Fraunhofer IWS | Download

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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.

 Das Fraunhofer IWS übernimmt die Projektkoordination und bringt Know-how zu innovativen Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Prototypzellen in das Projekt ein
 Das Fraunhofer IFAM entwickelt optimierte Separatoren für die Lithium-Schwefel Batteriezelle auf Basis der erforschten Festelektrolyte
 Forschende der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster untersuchen maßgeschneiderte Festelektrolyte und deren Transporteigenschaften für den neuen Batterietyp
 Die Wacker Chemie AG liefert Silizium und Know-how für die Herstellung von Anoden mit diesem Material
 Die AMG Lithium GmbH entwickelt und produziert sulfidische Festkörperelektrolyte und neue Kathoden-Aktivmaterialien basierend auf Lithiumsulfid
 Die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH übernimmt die Herstellung von Kohlenstoffadditiven bzw. industriell relevanten Kompositmaterialien

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. rer. nat. Holger Althues
Leiter Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Winterbergstraße 28, 01277 Dresden
www.iws.fraunhofer.de
Telefon +49 351 83391-3476
holger.althues@iws.fraunhofer.de

Originalpublikation:
https://www.iws.fraunhofer.de/de/newsundmedien/presseinformationen/2023/presseinformation_2023-07_massif.html?utm_campaign=PM-2023-07-MaSSiF-DE-IDW