Entwicklung und grundlegendes Verständnis von flexiblen, selbstheilenden Li-S Batterien mit hoher Zyklenstabilität (FlexBatt)

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Sommer, seit 9/2021
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423426992

Das Design von erfolgreichen, zukünftigen Li-S Batterien mit hoher Energiedichte birgt das Potential, aktuelle Batterietechnologien erheblich zu verbessern und somit Entwicklungen im umweltfreundlichen Fahrzeugbau anzukurbeln. Li-S Batterien könnten eine dreifache Energiedichte im Vergleich zu existierenden Batterietechnologien erreichen, und darüber hinaus tausende von Lade- und Entladezyklen aufweisen. Jüngste Ergebnisse legen einen komplexen Funktionsmechanismus von Li-S Batterien nahe, was einerseits die Entwicklung neuer Materialien, aber auch die Notwendigkeit von detaillierten mechanistischen Untersuchungen notwendig macht. Faktoren, die die Leistung und Stabilität limitieren, betreffen die Leitfähigkeit, Auflösung von Polysulfid-Spezies, Redoxprozesse, Volumenänderungen sowie die Passivierung der Elektroden. Flexible Batterien können in nahezu jede Form gebracht werden. Die Verwendung von selbstheilenden Materialien für autonome Selbstreparatur von durch Volumenänderungen verursachte Mikrorisse könnte die Leitfähigkeit über mehrere Zyklen erhalten. Das hier vorgeschlagene Konzept "FlexBatt" beinhaltet die Entwicklung von flexiblen Komponenten für die gesamte Li-S Batterie. Anode, Kathode, Separator und Feststoffelektrolyt sollen derart hergestellt werden, dass Flexibilität durch Selbstheilung möglich ist. Darüber hinaus soll die Korrelation zwischen mechanischer Deformation und Batteriefunktion mittels rheologischer Experimente (Rheo-Impedanz) und in-situ elektrochemischen und spektroskopischen Methoden untersucht werden. Flexible, freistehende Kathoden auf Basis von Schwefelcopolymer-CNT Netzwerken mit niedrigem Gehalt an Bindern sollen entwickelt werden. Diese werden mit neuen, elastomeren Feststoffelektrolyten und Lithium-beschichteten Geweben als Anode kombiniert. Ein speziell angefertigter Aufbau für rheologische Messungen unter Verwendung eines Potentials wird verwendet um Selbstheilungseffekte der Elektroden zu verstehen. Impedanzmessungen vor, während und nach Deformation werden ebenfalls durchgeführt werden. Um den Einfluss von mechanischer Deformation auf die Funktion der Batterie zu untersuchen, sollen während elektrochemischer Lade/ Entladezyklen ionischer Transport durch die Membran und morphologische Veränderungen mittels in-operando Techniken verwendet werden. Zusätzlich sollen die Elektroden in periodischen Abständen mit Röntgenkleinwinkelstreuung, mikroskopischen und spektroskopischen Methoden untersucht werden. Eine Analyse der Batteriekomponenten nach verschiedener mechanischer und elektrochemischer Belastung und nach ihrer Lebensdauer soll ein Verständnis für die Langzeitstabilität generieren. Das übergeordnete Projektziel ist daher das Verständnis der Bedeutung der mechanisch-chemischen Stabilität von flexiblen Batterien, sowie ein mechanistischer Einblick in irreversible Reaktionen von organischen Schwefelspezies, die die Batterieleistung und –lebensdauer limitieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Privatdozent Soumyadip Choudhury, Ph.D., bis 8/2021