Natrium-Ionen-Batterie-Demonstratoren für mobile und stationäre Energiespeicher

Die Motivation des TRANSITION Projektes ist es, einen zentralen Beitrag für eine nachhaltige Energiespeicherung in Deutschland zu leisten. Die Märkte für Elektromobilität und stationäre Energiespeicherung werden im Zuge der Energiewende deutlich wachsen und bedürfen energieeffizienter und leistungsstarker Speichertechnologien. Momentan werden Lithium-Ionen-Batterien (LIB) hier aufgrund ihrer Performance als vielversprechend eingestuft. Aktuell verfügbare LIB verwenden als Kernkomponenten ökologisch kritisch bewertete, knappe und teure Elemente. Es besteht dringende Notwendigkeit den zukünftigen Anforderungen nach Kosten, Verfügbarkeit und Performance gerecht zu werden.

Natrium-Ionen-Batterien (NIB) stellen durch die ubiquitäre Verfügbarkeit ihrer Rohstoffe bei gleichzeitig niedrigen Kosten eine vielversprechende Alternative und Ergänzung zur Lithium-Ionen-Technologie dar. In ihrer Leistungsstärke sind sie jeder anderen konventionellen aufladbaren Batterietechnologie (mit Ausnahme von LIB) überlegen. Ihr technisches Potenzial bietet zudem breite Entwicklungsperspektiven. Gesamtziel des Vorhabens TRANSITION ist die Entwicklung leistungsstarker NIB als eine alternative Technologie für eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Elektromobilität und stationäre Energiespeicherung in Deutschland.

Das Vorhaben TRANSITION fokussiert die Entwicklung leistungsstarker NIB-Demonstratoren mit Flüssig- und Polymerelektrolyt und hat das Gesamtziel eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative und Ergänzung zur aktuell verfügbaren Technologie der Lithium-Ionen-Batterien in Deutschland bereitzustellen. Das TRANSITION-Projekt verfolgt einen praktisch-orientierten Lösungsansatz, um einen Transfer der NIB-Technologie in die Industrie sicherzustellen, den Wertschöpfungsanteil für den Wirtschaftsstandort Deutschland zu sichern, sowie Innovation und Wachstum der Industrie in Deutschland voranzubringen.

Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele des Verbunds münden in dem übergeordneten Ziel des Vorhabens, durch die Entwicklung leistungsstarker NIB-Demonstratoren zukünftige Anwendungsbereiche in der Elektromobilität und stationären Energiespeicherung zu erschließen und darüber hinaus für die Industrie zugänglich zu machen. Die geplanten NIB-Demonstratoren werden unter Berücksichtigung von „Eco-Design“-Prinzipien im Sinne der Circular Economy Strategie der EU entwickelt, um eine nachhaltige und kostengünstige Batterietechnologie zu realisieren.

Die technischen Ziele sind:

1.) Entwicklung technisch relevanter Aktivmaterialien/Elektrolyte

• Negative Elektrode mit Aluminium-Kollektor: Kohlenstoff-basiertes Aktivmaterial für Demonstrator-Zellen unter Verwendung wässriger Binder und biologischer Abfälle als Ausgangsmaterialien.

• Kobaltfreie Schichtoxide für die eine nachhaltige und ökonomisch zielführende positive Elektrode.

• Elektrolyt: a) aprotischer Flüssigelektrolyt mit hoher Stabilität und Fähigkeit zum Ausbilden einer stabilen „solid electrolyte interphase“ (SEI); b) Polymerelektrolyt mit hoher Kompatibilität mit Schichtoxidkathoden und Natriummetall-Anoden.

2.) Entwicklung leistungsstarker, umweltfreundlicher und kostengünstiger NIB-Demonstratoren: Die kontinuierlichen Optimierungszyklen (Material, Elektrolyt, Zelle) werden durch engen Abgleich der experimentellen Arbeiten begleitet und unterstützt.

Für die Erreichung der Ziele der Bundesregierung im Bereich der Elektromobilität, stationären Energiespeicherung, Energiewende und Klimaschutz ist es notwendig, innovative, leistungsstarke, umweltfreundliche und günstige Batterietechnologien zu erforschen. Das TRANSITION-Projekt dient der Erforschung einer solchen Alternativtechnologie und stärkt dadurch die internationale Wettbewerbsfähigkeit, Zukunftsperspektive und Technologieführerschaft Deutschlands auf dem Gebiet elektrochemischer Energiespeicher. Es besteht zudem ein enormes Markt- und Arbeitsplatzpotenzial, wenn NIB in mobilen und stationären Speichern verwendet werden können, da beide Märkte noch kaum ausgeschöpft sind und geringe Markteintrittsbarrieren für NIB bestehen.

Die Erkenntnisse des TRANSITION-Projektes stärken die deutsche Forschungslandschaft, da notwendiges Wissen für die Entwicklung von Batteriesystemen aufgebaut wird. Dieses Wissen ist auf die Weiterentwicklung von LIB übertragbar und notwendig, um an die Forschung an NIB in Asien aufzuschließen und liefert langfristig qualifizierte Nachwuchskräfte in Deutschland. Dies ist unter wirtschaftlichen Aspekten für die deutsche Industrie wichtig, um im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung konkurrenzfähig zu sein. Die enge Einbindung eines Industriebeirats richtet das Projekt auf wirtschaftliche Anschlussfähigkeit und eine Verwertung der entwickelten Materialien und NIB aus. In diesem Sinne bildet und bietet das TRANSITION-Projekt eine wichtige Schnittstelle zwischen Forschung und Industrie, um den Standort Deutschland wirtschaftlich und wissenschaftlich zu stärken.