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 bereits auch zahlreiche 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 sogenannte Hard Carbons 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 zeigen Materialien mit unterschiedlicher innerer Struktur deutlich unterschiedliche Kapazitäten. Gleichzeitig muss die Grenzflächenrauigkeit reduziert werden, um die irreversible Kapazität möglichst gering zu halten. Bei aktuell genutzten/erforschten Materialien sind innere Struktur und Grenzfläche nicht unabhängig voneinander eingestellt. Wenig poröse Hard Carbons haben Grenzflächen mäßiger Rauigkeit, während poröse Kohlenstoffe sehr raue Grenzflächen aufweisen. Im Projekt

DIALYSORB werden beide Aspekte getrennt adressiert, indem der Speichermechanismus in den Poren von den mit der Oberflächenrauigkeit verbundenen Verlustreaktionen räumlich getrennt wird. Dabei stehen das Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in funktional aufgebauten Kohlenstoffmaterialien im Vordergrund, um das technische Potential dieser Materialklasse erstmals beziffern und voll ausschöpfen zu können. Dies geschieht durch die Entwicklung und Testung von neuartigen Kohlenstoffen.

Mit Hilfe von Anoden mit einer speziellen Struktur, soll erstmals die Bestimmung der theoretisch möglichen Kapazität möglich werden. So wird eine realistische Einschätzung des Anwendungspotentials, unter Berücksichtigung der Gefahr zur Dendritenbildung, ermöglicht. Zur Bestimmung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen werden operando-Methoden eingesetzt. Optimierte Anodenmaterialien werden mit dem Augenmerk auf eine kommerzielle Anwendung und unter Berücksichtigung der Batteriesicherheit auch in Pouchzellen (Vollzellen) getestet.