Zakformaat lithium-zwavelbatterijen onderzocht bij BESSY II

Een team van HZB en het Fraunhofer Instituut voor Materiaal- en Straaltechnologie (IWS) in Dresden heeft nieuwe inzichten verkregen in lithium-zwavel pouchcellen op de BAMline van BESSY II. Aangevuld met analyses in het beeldvormingslaboratorium van HZB en andere metingen ontstaat een nieuw en verhelderend beeld van processen die de prestaties en levensduur van dit industrieel relevante batterijtype beperken. Het onderzoek is gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift "Advanced Energy Materials".

Lithium-zwavelbatterijen hebben verschillende voordelen ten opzichte van conventionele lithiumbatterijen: ze gebruiken zwavel als een overvloedige grondstof, hebben geen kritische elementen kobalt of nikkel nodig en kunnen een extreem hoge specifieke energiedichtheid bereiken. Prototypecellen bereiken nu al een capaciteit tot 500 Wh/kg, bijna twee keer zoveel als huidige lithium-ionbatterijen.

Lithium-zwavelbatterijen zijn echter momenteel veel gevoeliger voor degradatieprocessen: tijdens het laden en ontladen vormen zich opgeloste polysulfiden en zwavelfasen op de lithiumelektrode, waardoor de prestaties en levensduur van de batterij steeds verder afnemen. “Wij willen deze processen door middel van ons onderzoek verduidelijken met als doel dit type batterij specifiek te verbeteren”, zegt HZB-fysicus Dr. Sebastian Risse, die bij de HZB een team leidt dat zich bezighoudt met de operando-analyse van batterijen.

Hij richt zich op zogenaamde pouchcellen, een batterijtype dat veel wordt gebruikt in de industrie. Bij het HZB Instituut “Electrochemical Energy Storage (CE-IEES)”, dat onder leiding staat van Prof. Yan Lu, is een laboratorium ingericht dat gespecialiseerd is in de productie van lithium-zwavelbatterijen in dit “pocketformaat”. Hier kunnen allerlei soorten lithium-zwavelbatterijen in zakformaat worden geproduceerd en getest. Als onderdeel van het BMBF-project “SkaLiS”, dat wordt gecoördineerd door Risse, heeft het team van Risse, samen met een groep van het Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology (IWS) in Dresden, nu een uitgebreide studie over lithium-zwavel pouchcellen gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Energy Materials .

Hiervoor werden batterijcellen in een bij HZB ontwikkelde opstelling onderzocht met behulp van verschillende methoden, zoals impedantiespectroscopie, temperatuurverdeling, krachtmeting en röntgenbeeldvorming (synchrotron- en laboratoriumbron) tijdens het opladen of ontladen. "Voor het eerst konden we zowel de vorming van lithiumdendrieten als de ontbinding of vorming van zwavelkristallieten tijdens de werking van een meerlaagse batterij observeren en documenteren", aldus Dr. Rafael Müller, HZB-chemicus en hoofdauteur van de studie.

“ In het bijzonder stelde fasecontrastradiografie met coherent synchrotronlicht op de BAM-bundellijn bij BESSY II ons in staat de zwak absorberende lithiummetaalmorfologie te volgen. We konden deze inzichten correleren met andere meetgegevens om een ​​compleet beeld te creëren.” Met behulp van röntgenanalyses in het beeldvormend laboratorium van de HZB in samenwerking met de groep van Dr. Ingo Manke slaagde er ook in de vorming van sterk absorberende zwavelkristallen tijdens de werking van de batterij te analyseren.

“Onze resultaten slaan een brug tussen fundamenteel onderzoek en technologieoverdracht, ze maken het met name mogelijk om conclusies te trekken over de schaalbaarheid van deze batterijtechnologie en voor de verdere ontwikkeling van hoogenergetische batterijsystemen ”, aldus Risse. Het team toonde onder andere aan dat een nieuwe ontwerpaanpak van IWS Dresden veelbelovend is: de geperforeerde en daardoor aanzienlijk lichtere kathodestroomcollector heeft geen invloed op de prestaties van de cel.

De resultaten van dit onderzoek helpen de prestaties en levensduur van lithium-zwavelbatterijen te optimaliseren, zodat dit veelbelovende batterijtype kan voldoen aan de eisen van mobiele en stationaire energieopslagsystemen.