Leichte Lithium-Schwefel-Batterie für die Luftfahrt – Fertigungstechnik für Lithiummetallanoden

Oberflächen 09. 12. 2019
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Von Harald Holeczek

Batteriesysteme gewinnen auch in der Luftfahrt immer mehr an Bedeutung – nicht nur für die Energieversorgung des Antriebs, sondern auch als Energielieferant für Lastspitzen und zur Emissionsreduktion. Für kleine Flugzeuge ist das rein elektrisch angetriebene Fliegen schon heute möglich. Ebenso wie die Flotten der Automobilhersteller müssen auch Flugzeuge zukünftig den Ausstoß an Kohlenstoffdioxid bei gleicher Leistung verringern. In einem neuen Projekt werden unter Führung von Airbus Komponenten für leichte Hochleistungsbatterien auf Lithium-Schwefel-Basis entwickelt.

Die Elektrifizierung von Flugzeugen bietet die Möglichkeit, eine Verminderung von Emissionen zu erreichen und gleichzeitig Nebenaggregate und Hilfssysteme passgenau mit Energie zu versorgen. Auch Spitzenbedarfe in bestimmten Flugphasen können über Batteriesysteme bereitgestellt werden, so dass beispielsweise der fossil betriebene Teil eines Antriebssystems kleiner ausfallen kann.

Vor diesem Hintergrund erforschen die Partner des in diesem Jahr gestarteten Verbundvorhabens LiMeS, wie sich ­leichtere und gleichzeitig leistungsfähigere Lithium-Schwefel-Batterien herstellen lassen. Dazu betrachten sie den Aufbau und die Herstellung der Batterieelektroden, den Elektrolyt und die Konzeption des Gesamtsystems. Dieses soll am Ende des Projekts anhand von Belastungsprofilen aus der Luftfahrt auf seine Leistungsfähigkeit hin getestet werden.

Auf der Kathodenseite soll eine hochleistungsfähige Schwefelkathode entwickelt werden, die vor allem durch eine angepasste Struktur hohe Ströme tolerieren und somit den Einsatz in der Luftfahrt ermöglichen soll. Neben der Bewertung der technischen Leistungsfähigkeit steht hier, wie bei allen betrachteten Komponenten, auch die Bewertung der wirtschaftlichen Umsetzbarkeit der entwickelten Konzepte im Fokus.

Für die Herstellung der Lithiummetallanode soll ein neuer Prozess entwickelt werden, der die elektrochemische Beschichtung der anodenseitig verwendeten Kupferfolie mit einer dünnen Lithiumschicht erlaubt. Lithium wird heute meist als Metallfolie für die Herstellung von Anoden genutzt. Diese kann jedoch aus technischen Gründen nicht dünner als etwa 30 µm hergestellt werden. So enthalten viele Zellen mit Lithiumanoden zu viel Lithium und sind dadurch schwerer und teurer als notwendig. Mit dem neuen Prozess sollen zukünftig Lithiumschichten mit angepasster Dicke hergestellt werden, die alleine durch die elektrochemischen Anforderungen der Zelle definiert ist und nicht durch fertigungstechnische Begrenzungen. Am Ende soll eine Technikumsanlage die Rolle-zu-Rolle Beschichtung von Lithium demonstrieren.

Für die neuen Zellen werden Konzepte mit flüssigen und festen Elektrolyten untersucht, um für die Anwendung das beste (Hybrid-)System herstellen zu können. Solche Kombinationen ermöglichen gänzlich neue Strukturkonzepte der Zelle und die Einsparung von Gewicht.

Ziel ist der Aufbau eines Batterie-Gesamtsystems und die Messung sowie Beurteilung seiner funktionellen Eigenschaften anhand von Anforderungen aus realen Systemen. Damit kann zum Abschluss des Projekts eine technologische Bilanz hinsichtlich der Wirksamkeit der Teillösungen gezogen werden, womit das Projekt LiMeS einen wesentlichen Beitrag für die Qualifizierung von Batterietechnologien und deren Einsatz in der Luftfahrt leistet.

Text zum Titelbild: Das Arbeiten mit Lithiumbatterien erfordert die Nutzung einer Glove-Box zur Abschirmung gegen die Einwirkung von Luft

 

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