In-situ Spectroscopic Investigations of High Energy Li-S Batteries Based on New Carbon Cathodes

• Antragsteller: Dr. Burkhard Beckhoff; Professor Dr. Andreas Bund; Professor Dr. Manfred Stamm
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Polymermaterialien ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273723695

Die erfolgreiche Entwicklung eines Li-S-Akkumulators mit hoher Energiedichte hat die faszinierende Perspektive, die existierende Batterietechnologie signifikant zu verbessern und die Entwicklung einer umweltfreundlichen Automobiltechnology entscheidend voranzutreiben. Li-S-Akkumulatoren versprechen mindestens eine Verdreifachung der Energiedichte im Verhältnis zu existierenden Li-Metall-Oxid-Batterien bei gleichzeitig hoher Reversibilität von schnellen Lade- und Entladezyklen sowie einer Lebensdauer von tausenden von Zyklen. Aufgrund neuartiger Ansätze war es uns, in unseren bisherigen Arbeiten, möglich Li-S-Testzellen mit hoher Energiedichte und guter Stabilität von über 50 Zyklen zu realisieren. Dennoch konnte bisher nicht die volle Leistung der Akkumulatoren erreicht werden, da weiterhin Probleme bestehen die es zu lösen gilt. Diese betreffen insbesondere den elektrisch isolierenden Charakter von Schwefel, die Löslichkeit der Polysulfide, den Polysulfide-Shuttle, Volumenexpansion und Elektrodenpassivierung. Wir planen die Entwicklung neuer Komposit-Kathoden, Schutzschichten und neuartiger Elektrolyte zur Verbesserung der Eigenschaften der Li-S Batterien. Dazu sind aufgrund der Komplexität der ablaufenden Prozesse im System systematische Basisstudien der Lade- und Entladeprozesse dringend notwendig. Daher beabsichtigen wir geeignete Analysemethoden zu verwenden, wie beispielsweise Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS), Raman-Spektroskopie und Elektronen-Spinresonanz, mit welchen während dem Laden und Entladen chemische Reaktionen an verschiedenen Positionen in der Zelle in situ als auch die Bildung von Radikalen verfolgt werden können. Damit ist es möglich elementaren Schwefel und insbesondere die Polysulfide-Verteilung sowie Kinetik zu bestimmen, was die gezielte Optimierung des Systems erlaubt. In unserem multidisziplinärem Konsortium werden Materialwissenschaftler und Chemiker neue poröse polymerbasierte Kathodenmaterialien und Elektrolyte entwickeln, Elektrochemiker die Optimierung der elektrochemischen Leistung durchführen und Physiker mithilfe theoretischer als auch experimentellen Methoden an dem theoretischen Verständnis der Lade-/Entladevorgänge und des Polysulfid-Shuttles arbeiten. Diese Ziele lassen sich nur durch den kombinierten Input der drei Partner erreichen. Anwendungsaspekte werden durch den engen Kontakt mit einem führenden Unternehmen der Batterie-Herstellung eingebracht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Albert Aganov; Dr. Klaus-Jochen Eichhorn; Professorin Dr. Birgit Kanngießer; Professor Dr. Stefan Krischok; Professor Dr. Peter Schaaf; Dr. Bernd Schumann