Molekularsiebende Kohlenstoffe als hochkapazitive und stabile Anoden in Natrium-Ionen-Batterien

Gegenstand des Verbundvorhabens DIALYSORB ist die Entwicklung maßgeschneiderter Kohlenstoffmaterialien als negative Elektrode („Anodenmaterial“) für Natriumionenbatterien (NIBs). Natriumionenbatterien gelten aufgrund vieler Parallelen und analogen Prozessschritten zur bereits etablierten Lithiumionentechnologie als attraktive „Drop-in“-Technologie. Ziel ist es dabei, Batterien mit hoher Energiedichte auf Basis nachhaltiger, ressourcenschonender Materialien zu entwickeln. Neben zahlreichen Forschungseinrichtungen arbeiten auch einige internationale Firmen/Startups auf diesem Thema, z.B. in China, Frankreich, Großbritannien, Indien oder den USA. Ein Flaschenhals der Technologie ist derzeit die negative Elektrode. Da Graphit nur in Spezialfällen (high power) für NIBs nutzbar ist, gelten ungeordnete Kohlenstoffe (disordered carbons, DCs) als besonders aussichtsreich. Der Speichermechanismus für Natrium in diesen Kohlenstoffen ist sehr komplex und hängt, wie neuere Untersuchungen belegen, stark von der inneren Porosität ab. So kann durch genau eingestellte Poren die Kapazität deutlich erhöht werden. Gleichzeitig muss die Grenzflächenbildung optimiert werden, um die irreversible Kapazität möglichst gering zu halten. Im Projekt DIALYSORB werden beide Aspekte adressiert, indem der Speichermechanismus in den Poren von den Verlustreaktionen räumlich getrennt wird.

Zentrale Aufgaben des Teilvorhabens an der BAM sind die Entwicklung von porösen Materialien, das elektrochemische Screening der entwickelten Anoden in Halbzelltests und die sicherheitstechnische Betrachtung des thermischen Durchgehens von finalen, aus dem Projekt entstehenden Vollzellen. Spezielle Synthesemethoden für die Materialherstellung und -optimierung, sowie spezielle Methoden der Charakterisierungen der Materialstruktur werden genutzt bzw. erarbeitet.