Faszination Technik Wie Lithium-Schwefel-Akkus länger leben

Quelle: Helmholtz Zentrum Berlin

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: die Optimierung von Lithium-Schwefel-Akkus im Pouchzellenformat durch innovative Elektrolyte.

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Mithilfe der verbesserten Li/S-Pouchzellen soll u.a. die Reichweite der elektrischen Logistikdrohne Wingcopter 198 erhöht werden.
Mithilfe der verbesserten Li/S-Pouchzellen soll u.a. die Reichweite der elektrischen Logistikdrohne Wingcopter 198 erhöht werden.
(Bild: Wingcopter)

Lithium-Schwefel-Akkus (Li/S) haben theoretisch eine Energiedichte von 2500 Wattstunden/kg. Das ist deutlich mehr als bei konventionellen Lithium-Ionen-Akkus. Li/S-Akkus verwenden auch im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus umweltfreundlichere Kathodenmaterialien. Doch es gibt ein Problem: Li/S-Akkus altern sehr rasch. Mit zunehmender Anzahl von Ladezyklen verändert sich das aktive Material, die metallische Lithiumanode korrodiert, die Kapazität sinkt.

Mit innovativen Elektrolyten und raffinierten Additiven könnte die Alterung gebremst werden. Bisher wurden jedoch vor allem Li/S-Akkus im Knopfzellendesign untersucht, wo diese Reaktionen sozusagen im Elektrolyten getränkt stattfinden. Nun hat ein Team am Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) in Zusammenarbeit mit der TU Dresden sowie dem Fraunhofer-IWS erstmals Li/S-Akkus im industrierelevanten Pouchzellen-Format mit unterschiedlichen Elektrolyten untersucht.

Pouchzellen-Format von besonderem Interesse

Wie das HZB mitteilt, sind für die Industrie Formate wie Rundzellen (Tesla), prismatische Zellen (BMW Group) oder Pouchzellen (Volkswagen) von besonderem Interesse. In diesen Formaten ist die Elektrolytmenge äußerst gering, was besonders hohe Energiedichten ermöglicht. Im Rahmen des BMBF-geförderten Projektes „HiPoLiS“ wurden nun erstmals multimodale operando-Untersuchungen an einlagigen Li/S Pouchzellen mit unterschiedlichen Elektrolyten durchgeführt. Erst wenn die Prozesse in monolagigen Zellen verstanden sind, könne man auch mehrfache Lagen in Pouchzellen wissensbasiert optimieren, heißt es.

Die Untersuchungen fanden im Pouchzellenlabor des HZB statt. Hier werden auch die Versuchs-Pouchzellen hergestellt. Dabei werden rechteckige Elektroden in Scheckkartenformat aufeinandergestapelt und - lediglich von einer dünnen Separatorfolie getrennt - in eine versiegelbare Tasche (Pouch) gesteckt. Pouchzellen benötigen im Vergleich zu Knopfzellen nur wenig Elektrolyt, um den Ladungstransport zu gewährleisten. Alle elektrochemischen Prozesse finden daher unter deutlich trockeneren Bedingungen statt.

Multimodale Analyse

Die Radiographien zeigen die Zelle vor (links) und nach der ersten Entladung (mitte) sowie nach der ersten Wiederaufladung (rechts). Ebenso ist die Anordnung der Sensoren zu sehen. Die Schwefelpartikel sind als helle Flecken sichtbar.
Die Radiographien zeigen die Zelle vor (links) und nach der ersten Entladung (mitte) sowie nach der ersten Wiederaufladung (rechts). Ebenso ist die Anordnung der Sensoren zu sehen. Die Schwefelpartikel sind als helle Flecken sichtbar.
(Bild: HZB)

Für ihre Studie kombinierten die Wissenschaftler Auswertungen der Messdaten mit den Analysen der Röntgenradiographie. In der multimodalen Messzelle befinden sich unterschiedliche Sensoren: Sie erfassen die elektrochemische Impedanz, die Temperatur, aber auch mechanische Kräfte auf den Elektroden. Zusätzlich wird die Pouchzelle während des gesamten Betriebs (operando) mit Röntgenlicht durchleuchtet, um eine Radiographie zu erstellen. So waren laut HZB Aussagen über die Bildung und Ablagerung von Schwefelpartikeln und Polysulfiden im Lauf der Ladezyklen möglich. Dabei zeigte sich auch, wie stark der Einfluss des genutzten Elektrolyten auf die Partikelbildung ist.

Einsatz der Li/S-Pouchzellen in Logistikdrohne

Das Fraunhofer IWS produziert für den Wingcopter Li/S Zellen mit bis zu 40 Lagen, die dann in die bestehende Energieversorgung der Drohne integriert werden.
Das Fraunhofer IWS produziert für den Wingcopter Li/S Zellen mit bis zu 40 Lagen, die dann in die bestehende Energieversorgung der Drohne integriert werden.
(Bild: Wingcopter)

Projektpartner von „HiPoLiS“ ist die Firma Wingcopter. Das Startup aus Darmstadt ist Hersteller und Serviceanbieter unbemannter eVTOL-Flugsysteme. Die gleichnamigen elektrischen Drohnen sollen Lieferketten medizinischer Güter optimieren sowie zukünftig Werkzeuge und Ersatzteile sowie Lebensmittel und Essen ausliefern. Laut Wingcopter können die Drohnen dank ihres patentierten Schwenkrotor-Mechanismus wie ein Multikopter senkrecht starten und landen, gleichzeitig aber lange Strecken so effizient und schnell fliegen wie ein Flächenflugzeug, selbst bei Regen und Wind.

Der Wingcopter 198 soll nach eigenen Angaben neue Möglichkeiten für Lieferdrohnen einläuten, indem die Reichweite erhöht wird. Dafür werden die verbesserten Pouchzellen eingesetzt. Das Fraunhofer IWS produziert hierfür Li/S Zellen mit bis zu 40 Lagen, die dann in die bestehende Energieversorgung der Drohne integriert werden.

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