Mitteltemperatur-Natriumbatterien mit flüssiger Natriumanode und wässriger Iodkathode

Eine Mitteltemperatur-Batteriesystem mit flüssiger Natrium-Anode und wässriger Iodkathode mit hoher Effizienz, Sicherheit und niedrigen Kosten soll für den Einsatz als kleiner und mittlerer stationärer Energiespeicher entwickelt werden.

Natriumbasierte Batterien werden bisher vor allem als Hochtemperatur (HT)-Batteriesystem (z.B. Natrium/Schwefel) eingesetzt. Derartige Batteriesysteme zeichnen sich aus durch eine hohe Effizienz und Lebensdauer, niedrige Kosten und eine hohe Versorgungssicherheit der Ausgangsmaterialien. Die größten Herausforderungen für einen wirtschaftlichen Einsatz resultieren jedoch aus den relativ hohen Betriebstemperaturen um 300°C, welche sowohl für die Abdichtung des Gehäuses problematisch sind als auch hohe thermische Verluste verursachen, was sich negativ auf die Energiedichte und Kosten des Systems auswirkt.

Daher sollen in diesem Projekt deutlich niedrigere Betriebstemperaturen erzielt werden, um Kostenvorteile durch eine vereinfachte Zellherstellung und -Design zu erzeugen. Erreicht werden soll dies durch die Verwendung einer kostengünstig herstellbaren Keramik als Festelektrolyt, welche eine bessere ionische Leitfähigkeit zeigt als bisherige Systeme. Zusätzliche Einsparpotenziale sollen durch die Verwirklichung des sogenannten Bipolardesigns erreicht werden, welches eine höhere Energiedichte ermöglicht und die Herstellung und Skalierbarkeit vereinfacht. Außerdem können durch die niedrigeren Betriebstemperaturen teilweise kostengünstigere Kunststoffe für das Zellgehäuse eingesetzt und die Abdichtung des Gehäuses einfacher realisiert werden.

NaSICON-basierte (Natrium Super Ionic CONductor) keramische Materialien ersetzen aufgrund ihrer höheren chemischen Beständigkeit gegenüber wässrigen Medien das bislang übliche Na-beta‘‘-Aluminat. Flüssiges Natrium-metall bildet die Anode und wässrige hochkonzentrierte Iodid/Iodlösung wird als flüssiges Kathodenmaterial verwendet. NaSICON zeigt hohe und über 50 °C auch bessere ionische Leitfähigkeiten als Na-beta‘‘-Aluminat und ist einfacher herstellbar. Geeignete Stöchiometrien mit hoher ionischer Leitfähigkeit werden entwickelt und auf die Beständigkeit in Kontakt mit der Iodkathode untersucht und optimiert. Die Benetzung der Keramik mit Natrium soll durch verschiedene Methoden verbessert werden. Um die Benetzungseigenschaften der Keramik mit Natrium besser zu verstehen und den Einfluss der Zellgeometrie auf die elektrochemische Performance zu untersuchen, werden umfangreiche Simulationen durchgeführt.

Geeignete Stromableitermaterialien und -geometrien werden identifiziert und untersucht. Im Projekt wird ein Demonstrator im Bipolardesign entwickelt, da dies zu einem vereinfachten Aufbau, erhöhter Energiedichte und Kostenreduktion führt. Hierfür werden dünne NaSICON-Platten hergestellt. Eine besondere Herausforderung dabei ist, die Elektrodenräume gegenüber dem keramischen Separator stabil abzudichten. Um dieses zu erreichen, werden verschiedene Konzepte erprobt. Alternative Konzepte für Kathodenseite, Separator und Gehäuse werden einzeln und als Vollzellen getestet, um ein Designkonzept zu evaluieren und einen Performance Benchmark im Vergleich zu anderen Technologien zu ermöglichen. Ein erstes Upscaling von Laborzellen auf den Technikumsmaßstab ermöglicht ein besseres Benchmarking im Vergleich zu etablierten Technologien und zeigt designtechnische Verbesserungspotentiale auf. Im Projekt soll ein TRL von 5 erreicht werden.

Die Möglichkeit Natrium-Batteriesysteme bei mittlerer Temperatur zu betreiben dehnt den Anwendungsbereich dieser vielversprechenden Technologie weiter aus. Hochtemperatur-Natriumbatterien (v.a. Natrium/Schwefel) zeichnen sich durch eine hohe Effizienz und Lebensdauer, niedrige Kosten und hohe Versorgungssicherheit der Ausgangsmaterialien aus. Niedrigere Betriebstemperaturen senken zum einen die Herstellungskosten durch preisgünstigere Materialien und verringern die thermischen Verluste. Somit steigt die Effizienz des Batteriesystems und der Einsatz für kleinere Speichereinheiten ist wirtschaftlich. Mitteltemperatur-Natriumbatterien könnten in der Lage sein, den im Zuge des Ausbaus erneuerbarer Energien steigenden Bedarf an Energiespeichern zu bedienen. Die in diesem Teilprojekt entwickelten Simulationsmodelle leisten einen wesentlichen Beitrag zum Aufbau eines Prototyps, der für die Etablierung dieser Batterietechnologie unabdingbar ist.

Gelingt es die gesteckten Ziele zu erreichen, könnte das im Vorhaben zu entwickelnde Mittel-temperatur-Natrium/Iod-Batteriesystem für kleine (< 10 kWh) bis mittlere (Bereich 100-200 kWh) stationäre Anwendungen, beispielsweise für Solaranlagen von Privathaushalten oder Unternehmen, genutzt werden. Hierdurch könnte ein wesentlicher Beitrag zur erfolgreichen Integration erneuerbarer Energiequellen in das Stromnetz geleistet werden. Zudem besteht die Möglichkeit für deutsche Firmen, sich mit einer alternativen Technologie zur Lithium-Ionenbatterie am Markt zu positionieren.

Der Erkenntnisgewinn ermöglicht nicht nur eine Verbesserung der Eigenschaften der neuartigen Batterie, sondern hat auch das Potential in der Folge auf weitere, zukünftige, Zelltechnologien angewendet werden zu können.