Zellentwicklung

Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten aus. Eine Herausforderung für die Anwendung dieser Zellen liegt in den Volumen-, bzw. Dickenänderungen über den Ladezustand, die bis zu 10 % betragen können. Durch diesen Volumenhub wären auf Systemebene spezielle Anpassungen nötig.

Ziel dieses Vorhabens ist es, durch gezielte Anpassung der Elektrodenmaterialien und deren Integration in Gesamtzellkonzepte eine neue Zellgeneration zu entwickeln, die eine deutlich reduzierte Gesamtdickenänderung bei vollständiger Nutzung der Kapazität aufweist. Am Fraunhofer IWS besteht dazu die vollständige Prozesskette zur Herstellung von Prototypzellen bis 25 Ah und erste Li-S-Zellen weisen spezifische Energien > 400 Wh/kg auf. Neue Elektroden- und Materialkonzepte können so in Multilagen-Pouchzellen überführt und anwendungsnah evaluiert werden.

Lithium-Ionen-Zellen mit Graphit- und Oxidelektroden sind heute Stand der Technik. Zur weiteren Erhöhung der Energiedichte zukunftsweisender Lithium-Ionen Zellen werden bahnbrechende Elektrodenkonzepte wie Li-Metall, Silizium, Ni-reiche NCM oder Schwefel entwickelt. Diese Materialien zeigen jedoch starke Volumenänderungen beim Laden und Entladen und stellen damit nicht nur die Elektrodenentwicklung, sondern das Design der gesamten Zelle vor große Herausforderungen. Die Volumenänderungen der Elektroden bewirken u.a. Dickenänderungen von Pouch-Zellen, die in den Batteriemodulen aufwendig kompensiert werden müssen.

Im EBZ Dresden werden deshalb neue, innovative Ansätze zur Minimierung von Volumenänderungen auf Elektrodenebene in Zellkonzepte integriert und getestet. Durch Modellierungen von Multilagen-Pouchzellen soll das Zelldesign verbessert werden, um hohe Energiedichten bei gleichzeitig minimaler Dickenänderung über den Ladezustand erzielen.