Entwicklung von Natrium-Polymerelektrolyten für Natrium-Batterien

Das NAPOLY-Projekt basiert auf der kombinierten Fachkenntnis von zwei Forschungsgruppen mit einer überzeugenden wissenschaftlichen Erfolgsbilanz in der Erforschung von Natrium-Batterien. Die Forschungsgruppe in Deutschland (Prof. Dr. Passerini et al.) verfügt über große Fachkenntnisse in den Gebieten der ionischen Flüssigkeiten (RTIL), anorganischen Synthesen, elektrochemischen Analyse und Charakterisierung von unterschiedlichen Stoffen auf molekularer Ebene inklusive quantenchemischer Berechnungen von Materialeigenschaften. Die Gruppe in Korea (Prof. Dr. Ryu et al.) besitzt großes Know-how im Gebiet der Polymersynthesen, Elektrochemie und Batterieanwendungen.

In diesem Projekt werden auf ionischen Flüssigkeiten basierende Polymerelektrolyten synthetisiert und charakterisiert. Sie weisen eine bessere Leistungsfähigkeit auf als die heutzutage üblichen organischen Elektrolyte, welche zudem die ständige Gefahr des Auslaufens der leichtentzündlichen Lösungsmittel bergen und somit (neben anderen sicherheitstechnisch bedenklichen Eigenschaften) ein erhebliches Sicherheitsproblem darstellen. Weiterhin ist Natrium reaktionsfreudiger als Lithium. Es reagiert stark exotherm mit Wasser und kann im schlimmsten Fall zu Bränden und Explosionen, gefördert durch die brennbaren konventionellen organischen Elektrolyte der Batterie, führen. Die Vorteile von auf ionischen Flüssigkeiten basierenden Polymerelektrolyten im Vergleich zu den herkömmlichen organischen Elektrolyten für die Natrium-Batterietechnologie, sind ihre hohe thermische Stabilität, ihre nicht Entflammbarkeit, ihr vernachlässigbarer Dampfdruck sowie die Möglichkeit durch ihren Einsatz in einem Batteriesystem die Entflammbarkeit des Natriums zu unterdrücken. Aus diesen Gründen legt das NAPOLY-Projekt ein Hauptaugenmerk auf die Synthese und Verarbeitung von ionischen Flüssigkeiten, Polymeren und ihren Mischungen.

Das finale Ziel des Projekts ist die Realisierung von Natrium-Polymerbatterien mit hoher Leistungsfähigkeit und Sicherheit, die auf ionischen Flüssigkeiten basieren.

Aufgrund der fundamentalen elektrochemischen Prinzipien einer Batterie muss der Elektrolyt zwischen Kathode und Anode ein ionischer Leiter sein, der fähig ist, Ionen zu solvatisieren und zu transportieren. Idealerweise sollte ein Elektrolyt die ionische Leitfähigkeit einer Flüssigkeit, die mechanische Stabilität eines Festkörpers und eine hohe chemische Stabilität gegenüber anderen Zellkomponenten aufweisen. Die Anode, Kathode und der Elektrolyt müssen miteinander kompatibel sein, um eine hohes Maß an Sicherheit, Zyklisierbarkeit und hohe Ladungs- und Entladungsraten zu erreichen.

Mit den komplementären Kompetenzen beider Gruppen werden für die Entwicklung optimaler Materialeigenschaften effiziente Lösungsansätze verfolgt, welche auf einem Kreislauf aus Synthese, Charakterisierung, Theorie und weiterentwickelten Konzepten beruhen. Das Gemeinschaftsprogramm mit dem Fokus auf der Entwicklung einer neuartigen Familie von Natrium-Ionen-leitenden Elektrolyten basiert auf einer neuen Klasse von Lösungsmitteln: den sogenannten ionischen Flüssigkeiten (auch bekannt als geschmolzene Salze). Gel-Polymer-Elektrolyten welche ein in organischen Lösungsmitteln gelöstes Natriumsalz enthalten sind bekannte Systeme, die eine moderate mechanische Stabilität mit flüssigkeitsähnlichen ionischen Leitfähigkeiten vereinen. Allerdings haben die verwendeten organischen Lösungsmittel Anwendungsgrenzen, wie eine niedrige elektrochemische Stabilität, hohe Volatilität und geringe thermische Stabilität.

Das Ziel dieses Gemeinschaftsprogramms ist es, die heutzutage verwendeten nachteilbehafteten organischen Elektrolyte durch ionische Flüssigkeiten zu substituieren. Diese haben das Potenzial, durch ihre spezifischen Eigenschaften, wie vernachlässigbarer Dampfdruck, nicht Entflammbarkeit und hohe thermische Stabilität, ein bis jetzt noch nicht erreichtes Maß an Sicherheit von Batterien zu gewährleisten. Ionische Flüssigkeiten haben weiterhin eine hohe ionische Leitfähigkeit sowie ein weites elektrochemisches Stabilitätsfenster und zeigen im Gegensatz zu allen herkömmlichen Elektrolyten speziell in einem Spannungsbereich zwischen 4,0 bis 5,7 Volt eine gute elektrochemische Stabilität bei Raumtemperatur, was den Einsatz von neuen Hochvolt-Kathodenmaterialien ermöglicht.

Während der zwei Projektjahre werden neue Polymermatrizen entwickelt, die für die Aufnahme von ionischen Flüssigkeiten (in Korea) geeignet sind. Im Anschluss daran werden Polymerelektrolyte synthetisiert, welche dann hinsichtlich ihrer elektrochemischen Stabilität, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit (Deutschland) optimiert werden. Somit wird eine neue

Plattform für eine fruchtbare Zusammenarbeit zwischen beiden Arbeitsgruppen etabliert.

Am KIT/HIU in Deutschland wird sich die Forschung auf drei Hauptaufgaben fokussieren:

1. Die Synthese von neuartigen ionischen Flüssigkeiten (RTIL) für eine Anwendung in Natrium-Batterien.

2. Die Entwicklung und Charakterisierung von Natrium-basierten Polymerelektrolyten.

3. Die Herstellung von Natrium-Komposit-Elektroden und deren elektrochemische Charakterisierung in Halbzellen mit einem Natrium-Polymerelektrolyten.

Die Bearbeitung der hier beschriebenen Hauptaufgaben wird durch ein substanzielles Know-how auf dem Gebiet der Synthese von ionischen Flüssigkeiten und Polymerelektrolyten gewährleistet. Durch den Einsatz von verschiedenen Analysemethoden können sowohl die mechanischen als auch die elektrochemischen Eigenschaften des synthetisierten Natrium-Polymerelektrolyten untersucht werden.

Ergänzend wird die GNU in Korea ihren Fokus auf

1. die Herstellung von Nanofasern und Keramik-Komposit-Polymer-Matrizen durch einen Elektrospinn-Prozess,

2. die Untersuchung und Charakterisierung von geeigneten Flüssigelektrolyten,

3. die Synthese von hochporösen Polymermatrizen mit verschiedenen Polymermischungen,

legen.

Die Zusammenführung der Ergebnisse sowie der kontinuierliche Austausch zwischen den Forschergruppen führen zu einer konstanten Optimierung der Synthese- und Entwicklungsprozesse. So können die Stärken beider Partner zur Verwirklichung des Projektziels optimal genutzt werden.

Im Rahmen des NAPOLY Projekts wird deutschen Studenten neues Wissen bezüglich der Synthese von Polymermatrizen und deren Charakterisierungsmöglichkeiten vermittelt. Koreanische Studenten werden Kenntnisse über Vorbereitungs- und Charakterisierungsmethoden für neue Elektrolytmaterialien sowie deren elektrochemische Untersuchung in einem Halbzellensystem erlangen. Darüber hinaus werden Besuche von erfahrenen Forschern für Seminare und Vorlesungen als Basis für den gegenseitigen Austausch des Wissens, welches in jeder Gruppe entsteht, dienen. Die Ergebnisse werden in renommierten internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht.

Der signifikanteste ökonomische Vorteil von Natrium ist sein großes Vorkommen und die daraus resultierenden geringen Rohstoffpreise. Der Einkaufspreis des Natriumsalzes (Trona) liegt bei etwa 100 bis 125 Euro/Tonne und ist somit 30 bis 40-mal günstiger als sein Lithiumäquivalent (Lithiumcarbonat). Dieser ökonomische Aspekt macht Natrium-Batterien zu einer attraktiven Option, vor allem für stationäre Energiespeicherung. Nichtsdestotrotz ist die Sicherheit einer Batterie, vor allem auch vom Standpunkt der Batterieproduzenten/-industrie, der wichtigste Garant für wirtschaftlichen Erfolg. An eben diesem Kernpunkt setzt das NAPOLY-Projekt an. Aus diesem Grund sind die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten der Projektergebnisse in einen mittel- bis längerfristigen Zeithorizont einzuordnen.

Die wissenschaftlichen Erfolgsaussichten bewegen sich in einem kurz- bis mittelfristigen Zeithorizont. Erste wissenschaftliche Errungenschaften könnten schon innerhalb der Projektlaufzeit von NAPOLY in Form von patentierbaren Prozessen und Materialien sowie wissenschaftlichen Veröffentlichung ausgebeutet werden. Im Speziellen sind dies: neuartige ionische Flüssigkeiten, Herstellung von verschiedenen Polymermischung mittels eines Elektrospinn-Prozesses, Entwicklung und Optimierung eines Natrium-Polymerelektrolyten und der Beweis dessen Funktionalität in einer elektrochemischen Halbzelle.

Darüber hinaus etabliert das NAPOLY-Projekt die wissenschaftliche Grundlage im Bereich von Natrium-Polymerelektrolyten, welche für eine Weiterentwicklung von sicheren Natrium-Batterien in Deutschland von sowohl Forschungsinstituten als auch Unternehmen genutzt werden kann.

Im Falle eines positiven Ergebnisses des NAPOLY-Projekts wird, da es sich in diesem Stadium noch um Grundlagenforschung handelt, eine weitere Kooperation zwischen dem KIT/HIU und Forschungsinstituten oder forschungsintensiven Industrieunternehmen angestrebt. Nach der erfolgreichen Entwicklung eines Natrium-Polymerelektrolyten und ersten Halbzellentests innerhalb von NAPOLY ist der nächste innovatorische Schritt die Entwicklung eines, diesen Elektrolyt enthaltenden, Vollzellensystems. Der Polymerelektrolyt muss auf seine Eigenschaften im Zusammenwirken mit verschiedenen aktiven Batteriematerialien (sowohl Anode als auch Kathode) untersucht werden. Sobald die elektrochemischen Eigenschaften auf molekularer Ebene hinsichtlich des Vollzellensystems optimiert wurden, ist die Schwelle zur angewandten Forschung überschritten, in der dann vermehrt eine enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern stattfinden wird.