Batterien für die elektrische Luft- und Raumfahrt Konsortium entwickelt optimierte Lithium-Schwefel-Batterien

Lithium-Schwefel-Batterien können im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien bei gleichem Gewicht etwa die doppelte Energie speichern. Diese Eigenschaft macht sie besonders interessant für die Luft- und Raumfahrt. Vorteilhaft sind auch die geringen Kosten und hohe Materialverfügbarkeit von Schwefel. Dennoch sind bisher keine kommerziellen Produkte verfügbar. Um das System für die Mobilität nutzbar zu machen, forscht die Technische Universität Braunschweig zusammen mit Partnern aus Industrie und Forschung an Energiespeichern auf Schwefelbasis.

Die Anwendung von Lithium-Schwefel-Batterien in der Luft- und Raumfahrt stellt besonders hohe Anforderungen an Batterieeigenschaften – etwa an die Energiedichte, Betriebsbedingungen, Lebensdauer und Sicherheit. Durch eine gezielte Auslegung der Prozesse, der Elektroden und des Zelldesigns sowie durch die Materialauswahl kann die Batterieleistung entsprechend angepasst werden. Durch die Verbindung von experimentellen und virtuellen Methoden sollen Entwicklungszeit und Entwicklungskosten reduziert werden.

Ganzheitlicher Ansatz

Im Forschungsvorhaben „SulForFlight“ werden dazu in einem ganzheitlichen Ansatz die Parameter und Eigenschaften in der Prozessierung, dem Betrieb und für die Alterung der Zellen erforscht. Dabei werden die langjährigen Kompetenzen der Konsortialpartner aus den Bereichen Prozessierung (TU Braunschweig, Fraunhofer IWS), experimentelle Charakterisierung (Fraunhofer, DLR) und Modellierung (DLR) kombiniert zusammengeführt.

Die TU Braunschweig beschäftigt sich im Projekt schwerpunktmäßig mit der Prozessentwicklung für die Herstellung schwefelbasierter Batterien und den Einflüssen, die unterschiedliche Prozessparameter auf die Eigenschaften dieser Batterien haben können. Hierzu wird prozessbegleitend Analytik eingesetzt, die es ermöglicht Zusammenhänge zwischen dem Herstellungsprozess und den Eigenschaften der Zwischenprodukte sowie der späteren Zelle herzustellen.

Energiespeicher der nächsten Generation – die Vorteile

Auf Lithium und Schwefel basierende Batterien gelten als Energiespeicher der nächsten Generation. Sie können mehr Energie speichern bei geringem Gewicht, haben rechnerisch also eine besonders hohe Energiedichte; die Komponenten Schwefel und Kohlenstoff sind kostengünstig in der Herstellung und in großen Mengen leicht verfügbar. Das Ziel für die Zukunft ist unter anderem die Reichweite von Elektrofahrzeugen mit diesem Batterietyp deutlich zu steigern.

Spezifische Hürden

Um jedoch die Lithium-Schwefel-Batterie als Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien anbieten zu können, müssen noch einige spezifische Hürden genommen werden. So ist etwa Lithium stark reaktiv und Schwefel tendiert während des Betriebs dazu lösliche Zwischenprodukte zu bilden, die zu ungewollten Nebenreaktionen führen, wodurch die Batterielebensdauer leidet. Kritisch sind noch die geringe Anzahl von Zyklen, die Leistungsfähigkeit hinsichtlich Schnellladung sowie die Beständigkeit bei hohen Temperaturen und Frost.

Projektdaten:

Das Projekt „SulForFlight“ (FKZ 03XP0491) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt 2,8 Mio. Euro gefördert (Laufzeit 01.09.2022 bis 31.08.2025). Projektpartner sind das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt (Institut für Technische Thermodynamik, DLR-TT), die Fraunhofer Gesellschaft (Institut für Werkstoff- und Strahltechnik, IWS) und die Technische Universität Braunschweig (Institut für Partikeltechnik, iPAT). Im Industriebeirat sind vertreten: Orion Engineered Carbons, Adeka Corporation, IoLiTec-Ionic Liquids Technologies, Custom Cells Itzehoe, rhd instruments, Airbus.