Lithium-Schwefel-Batterien für die Luftfahrt

Batteriesysteme gewinnen auch in der Luftfahrt immer mehr an Bedeutung – nicht in erster Linie für die Energie­versorgung des Antriebs, sondern als Energie­lieferant für Hilfs­systeme. Denn ebenso wie die Flotten der Automobil­hersteller müssen auch die Flugzeuge zukünftig weniger CO2-Ausstoß bei gleicher Leistung bieten. In einem neuen Projekt entwickeln Forscher jetzt Komponenten für leichte Hoch­leistungs­batterien auf Lithium-Schwefel-Basis. Solche Li-S-Batterien besitzen das Potenzial für den Bau von Batterie­systemen mit hoher Energie­dichte und gleich­zeitig geringem Gewicht. In ihnen sind keine schweren Metalle in der Kathode enthalten wie bei Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings sind Li-S-Batterien heute noch nicht so ausgereift wie Li-Ionen-Batterien, insbesondere hinsichtlich der Zyklen­festigkeit.

Ein Konsortium unter Leitung von Airbus nimmt sich jetzt den Heraus­forderungen der Weiter­ent­wicklung und Optimierung von Li-S-Batterien für die Luftfahrt an. Auf Basis von Anforderungen und Last­profilen, wie sie bei Airbus auch für andere Entwicklungen genutzt werden, wollen die Forscher den Entwicklungs­stand der Li-S-Batterie­technologie voran­treiben. Neben der Verbesserung der Kathode aus Schwefel und Kohlenstoff mit Hilfe neuer Verarbeitungs­verfahren und der Erprobung von Hybrid­systemen für den Elektrolyt – also der Mischung von Flüssig- und Fest-Elektrolyt – ist die Herstellung der Lithium-Metall-Anode durch einen neuen, elektro­chemischen Prozess eines der Kern­themen des Projekts.

Bisher werden Li-Metall-Anoden, die außer in Li-S-Batterien auch in einigen Typen von Li-Ionen-Batterien sowie in Fest­körper­batterien eingesetzt werden, mit Hilfe von gewalzten Li-Folien hergestellt. Diese können heute jedoch nicht viel dünner als dreißig Mikro­meter hergestellt werden, denn Lithium­metall neigt dazu, an anderen Ober­flächen zu kleben. Deswegen muss eine gewisse Dicke für eine minimale mechanische Stabilität gegeben sein. Weil dreißig Mikro­meter jedoch oft mehr sind, als die Zelle elektro­chemisch benötigt, schleppen diese Zellen unnötiges Gewicht und unnötige Kosten mit.

Um das zu ändern, arbeitet die Abteilung Galvano­technik des Fraunhofer-IPA an einem elektro­chemischen Prozess, mit dem beliebig starke Lithium­schichten in einem Schritt auf Metall­folien auf­gebracht werden können. Ein solcher Prozess bietet die Möglich­keit, genau die Menge an Lithium auf die Elektrode zu bringen, die technisch benötigt wird. Außerdem können nicht nur glatte, sondern auch strukturierte Elektroden­folien beschichtet werden. Mit dieser Entwicklung erweitert das Fraunhofer-IPA die Palette an Produktions­prozessen für eine Haupt­komponente von verschiedenen Batterie­typen und hilft, zukünftig Kosten und Ressourcen bei der Batterie­zell­fertigung einzu­sparen. Elektro­chemisch basierte Abscheide- oder Applikations­prozesse haben das Potenzial, bei Umgebungs­bedingungen techno­logisch wichtige Metall­schichten zu erzeugen, die sonst nur durch sehr aufwändige Verfahren herstellbar sind.

Fh.-IPA / RK

Weitere Infos:

• Abt. Galvanotechnik, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Stuttgart