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Neue Forschungsansätze für ultraleichte Lithium-Schwefel-
Batterien
Schwefel-Batterien gelten als aussichtsreiche
Alternative zu etablierten Lithium-Ionen-Systemen. Um bestehende
technologische Hürden dieser Zellchemie zu überwinden, erforscht das
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS gemeinsam mit
Partnern eine neue Zellarchitektur mit reduziertem Elektrolytanteil und
angepasster Festkörperchemie. Ziel ist es, praxisrelevante Zellkonzepte zu
entwickeln, die hohe Energiedichten mit verbesserter Zyklenstabilität und
gesteigerter Sicherheit kombinieren. Die Projekte »AnSiLiS«, gefördert durch
das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR),
und »TALISSMAN«, finanziert über das Horizon-Europe-Programm der EU,
bilden den strukturellen Rahmen für diese Forschung. Ziel ist eine Festkörper-
Lithium-Schwefel-Zelle, die bei vergleichbarem Energieinhalt deutlich leichter
ausfällt als bisherige Batterien.
Aktuelle Lithium-Schwefel-Zellen erreichen nur begrenzte Zyklenzahlen, da der
verwendete flüssige Elektrolyt die Bildung löslicher Polysulfide begünstigt. Diese
Nebenprodukte führen zu unerwünschten Materialverlusten und beschleunigtem
Abbau der Zyklenstabilität. Die Forschungsarbeiten am Fraunhofer IWS verfolgen
deshalb ein alternatives Konzept: Die direkte Umwandlung von Schwefel zu festem
Lithiumsulfid in einem weitgehend festen Zellkonzept, ganz ohne flüssigen
Elektrolyten. Erste Laborergebnisse deuten darauf hin, dass mit dieser Architektur in
Zukunft eine spezifische Energiedichte von über 600 Wattstunden pro Kilogramm bei
stabilen Zykleneigenschaften technisch erreichbar ist. Damit würden die Zellen mehr als
doppelt so viel Energie pro Kilogramm speichern als die etablierten Lithium-Ionen-
Batterien.
AnSiLiS: Materialentwicklung, Simulation und Zellintegration
Im Projekt AnSiLiS steht die Entwicklung einer Schwefel-Kohlenstoff-Kompositkathode
im Mittelpunkt. Diese soll in Kombination mit einer dünnen Lithium-Metall-Anode und
einem hybriden Elektrolytsystem in minimaler Menge untersucht werden. Die TU
Dresden und die Universität Jena erforschen die elektrochemischen Wechselwirkungen zwischen Elektrolyt und Aktivmaterial. Das Helmholtz-Zentrum Berlin bringt seine
Expertise in der Operando-Analytik und 3D-Tomographie ein. Molekulardynamische
Simulationen begleiten die Zellentwicklung, um Stabilität und Kompatibilität der
Komponenten auf verschiedenen Skalen präzise bewerten zu können.
TALISSMAN: Skalierung und industrielle Validierung
Das EU-Projekt TALISSMAN ergänzt diese Arbeiten um die Aspekte der industriellen
Skalierung und Anwendungsvalidierung. Koordiniert vom baskischen Institut CIDETEC
entwickeln neun Partner aus Spanien, Frankreich, Italien und Deutschland zwei
Zellgenerationen für den Einsatz in elektrischen Mobilitätslösungen. Sie wollen
Energiedichten bis zu 550 Wattstunden pro Kilogramm realisieren und nicht brennbare
Quasi-Festelektrolyte integrieren. Zusätzliches Ziel ist es, die Herstellungskosten auf
unter 75 Euro pro Kilowattstunde zu senken. Die Zellarchitektur soll mit bestehenden
Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien kompatibel bleiben.
Integration innovativer Werkstoffe und Prozesse in prototypische
Batteriezellen
In den Projekten AnSiLiS und TALISSMAN übernimmt das Fraunhofer IWS die Rolle des
systemintegrierenden Entwicklungspartners. Chemisches Grundverständnis,
Werkstoffwissen, verfahrenstechnische Erfahrung und eine anwendungsnahe
Pilotfertigung greifen dabei nahtlos ineinander.
Die Forschungsarbeit beginnt mit der gezielten Formulierung von Pulvern, Pasten und
Trockenmischungen für unterschiedliche Elektrodenherstellungsverfahren. Eine
Schlüsselrolle übernimmt das DRYtraec®-Verfahren des Fraunhofer IWS. Diese
Trockenbeschichtung arbeitet lösungsmittelfrei und verpresst die Materialien zu
stabilen Filmen. Der energieintensive Trocknungsschritt entfällt vollständig. Der Prozess
senkt den Energiebedarf um bis zu 30 Prozent, reduziert CO2-Emissionen deutlich und
lässt sich im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf industrielle Breiten skalieren. DRYtraec® eignet
sich damit ideal für die Überführung innovativer Materialien in die Massenfertigung.
Die einzelnen Fertigungsschritte erfolgen im Avanced Battery Technology Center
(ABTC) des Dresdner Instituts. Dieses verfügt über eine hochflexible Linie für die
Elektrodenherstellung mit klassischer Pastenbeschichtung oder DRYtraec®,
laserbasiertem Schneiden unter Trockenluft, Mehrlagen-Stapeln, thermischem
Versiegeln sowie Formierung und zyklischer Alterung. In Kombination mit Analytik und
Prozesssimulation entsteht ein durchgängiger Entwicklungsprozess aus einer Hand. Das
Fraunhofer IWS liefert somit nicht nur Laborergebnisse, sondern anwendungsnahe
Demonstratoren. Die Zellen werden umfassend elektrochemisch charakterisiert.
Industriepartner aus Luftfahrt, Drohnentechnologie und Elektromobilität profitieren von
geringem Entwicklungsrisiko, beschleunigtem Technologietransfer und einer
wirtschaftlich tragfähigen Zellfertigung. Energiedichten über 600 Wattstunden pro Kilogramm und spezifische Kosten unter 75 Euro pro Kilowattstunde rücken in
greifbare Nähe.
Anwendungsfelder im Fokus
Luftfahrt, unbemannte Flugsysteme und tragbare Energiespeicher stellen hohe
Anforderungen an das Verhältnis von Gewicht zu Leistung. Die im Rahmen von AnSiLiS
und TALISSMAN verfolgten Zellkonzepte adressieren gezielt diese Szenarien. Das
Zusammenspiel aus optimierter Materialwahl, analytischer Tiefenschärfe und
prozessnaher Entwicklung soll Lithium-Schwefel-Batterien künftig dort den Einsatz
zulassen, wo konventionelle Technologien an Grenzen stoßen. Funktionsfähige
Prototypen sollen die angestrebten Resultate in den nächsten Jahren validieren.
Dr. rer. nat. Holger Althues
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Telefon +49 351 83391- 3476
Winterbergstraße 28
01277 Dresden
www.iws.fraunhofer.de
holger.althues@iws.fraunhofer.de
https://www.iws.fraunhofer.de/de/newsundmedien/presseinformationen/2025/pressein...
Batterie der Zukunft: Am Fraunhofer IWS entstehen neue Lithium-Schwefel-Zellkonzepte mit reduziertem ...
Source: Martin Förster
Copyright: © Martin Förster/Fraunhofer IWS
Fraunhofer IWS entwickelt im Projekt AnSiLiS hochenergetische Lithium-Schwefel-Zellen mit Festkörper ...
Copyright: © Fraunhofer IWS/generated by AI
Criteria of this press release:
Journalists
Chemistry, Economics / business administration, Energy
transregional, national
Research projects, Transfer of Science or Research
German
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