Akkutechnologien Schwefel und Silizium als Bausteine für den Feststoffakku

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Eine neue Generation von Lithium-Schwefel-Akkus steht im Fokus des Forschungsprojekts MaSSiF – Materialinnovationen für Schwefel-Silizium-Festkörperakkus.

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 Zellen 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.

Nachfolgetechnologie für Lithium-Ionen-Akkus

Feststoffakkus auf Sulfidbasis gelten als mögliche Nachfolgetechnologie für heutige Lithium-Ionen-Akkus 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 Feststoffakkus sehr hohe Energiedichten. Große Herausforderungen bringt jedoch die Anode sowohl in der Verarbeitung als auch im Betrieb des Akkus mit sich. Ziel der aktuellen Forschungsarbeiten ist es, metallisches Lithium als negative Elektroden in Feststoffakkus 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 Feststoffakkus 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 Zellen mit 350 Wh/kg 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 Lithium-Ionen-Akkus ergeben.

Die Projektpartner

Das Fraunhofer IWS übernimmt die Projektkoordination und bringt Knowhow zu innovativen Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Prototypzellen in das Projekt ein, das Fraunhofer IFAM entwickelt optimierte Separatoren für die Lithium-Schwefel-Zelle auf Basis der erforschten Festelektrolyte, Forschende der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster untersuchen maßgeschneiderte Festelektrolyte und deren Transporteigenschaften für den neuen Akkutyp, das Unternehmen AMG Lithium entwickelt und produziert sulfidische Festkörperelektrolyte und neue Kathoden-Aktivmaterialien basierend auf Lithiumsulfid und Schunk Kohlenstofftechnik übernimmt die Herstellung von Kohlenstoffadditiven bzw. industriell relevanten Kompositmaterialien

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