Natriumbasierte feste Sulfid- und Oxid-Elektrolyt-Batterie

Die Entwicklung leistungsfähiger Energiespeicher für die Elektromobilität stellt eine Grundvoraussetzung für die konsequente Umsetzung der Energiewende in Deutschland dar. Die konventionelle Lithium-Ionen-Technik ist zwar hinsichtlich der erreichbaren Energiedichte weit entwickelt, kann aber bislang nicht allen automobilen Anforderungen an Reichweite, Sicherheit und insbesondere Kosten gerecht werden. Feststoffbatterien gelten als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Batteriesysteme und signifikante Steigerungen der Energie- und Leistungsdichte werden für den Einsatz einer Alkalimetallanode in solchen Systemen prognostiziert. Die aktuelle Forschung ist jedoch auf die Verwendung von Lithiummetall in Verbindung mit konventionellen Kathodenaktivmaterialien gerichtet. Mit einer tiefen Marktdurchdringung durch Elektromobile wird der Bedarf an Rohstoffen wie Lithium, Cobalt und Nickel exponentiell ansteigen und der Druck hinsichtlich Ressourcenverfügbarkeit und Lieferketten weiter zunehmen. Aufgrund der nahezu unbegrenzten Rohstoffverfügbarkeit im Falle des Alkalimetalls und der Möglichkeit, Nickel- und Cobalt-freie Kathodenmaterialien zu nutzen, sind natriumbasierte Systeme höchst aussichtsreiche Kandidaten, was verbunden mit dem Konzept der Feststoffbatterie zu einer völlig neuen massenmarkttauglichen Lösung im Fahrzeug führen könnte.

Das Projekt NASEBER hat sich die Erforschung einer natriumbasierten Feststoffbatterie und die Prüfung ihrer Eignung für automobile Anwendungen zum Ziel gesetzt. Im Projekt werden sich die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf die elektrochemisch aktiven Komponenten Anode, Kathode, Elektrolyt und deren Grenzflächen zugleich konzentrieren. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist eine Evaluierung der möglichen Energie- und Leistungsdichte und des Alterungsverhaltens, sowie die Bewertung der Kostenstruktur einer industriellen Hochskalierung der Technologie, verbunden mit einer kritischen Betrachtung der langfristigen Umsetzbarkeit für automobile Anwendungen.

Das Konsortium im Verbundprojekt NASEBER wird die Umsetzbarkeit natriumbasierter Feststoffbatterien demonstrieren und die technologische Konkurrenzfähigkeit dieser Systeme im Vergleich mit aktuellen marktrelevanten Batteriesystemen vergleich. Im Einzelnen werden folgende Fragen beantwortet:

a) Welche Festelektrolyte sind für eine funktionierende Kombination aus dichtem Separator und Kompositelektrode am geeignetsten?

b) Welcher Gestalt muss eine Festelektrolytmembran sein, um in Kombination mit der Kompositkathode dendritenfrei und mit hinreichender Leistungsdichte genutzt zu werden?

c) Welche Grenzflächenwiderstände treten in den Systemen auf, und wie beeinflussen diese die Charakteristik der Zelle? Lassen sich diese Widerstände durch geeignetes Grenzflächendesign hinreichend reduzieren?

d) Genügen bekannte Elektrodenmaterialien, die aktuell in Natrium-Ionen-Batterien (NIB) untersucht werden, den Anforderungen an eine Hochenergie-/Hochleistungszelle?

e) Lassen sich hinreichend gute Dispergierbarkeiten und stabile Prozessparameter finden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten? Ist eine Hochskalierung der Technologie denkbar?

f) Welche Leistungsdaten sind erreichbar und besitzen diese das Potenzial, eine kompetitive Speichertechnologie erwachsen zu lassen? Welche Vorteile ergeben sich gegenüber lithiumbasierten Feststoffbatterien?

g) Ist eine Serienfertigung denkbar und wie könnte diese aussehen? Auf Basis dieser Überlegungen soll ein Kalkulationsmodell zur Herstellkostenplanung erstellt werden.

Durch Beantwortung dieser Fragen soll bereits in einem frühen Entwicklungsstadium eine realistische Abschätzung des technologischen und wirtschaftlichen Potenzials der Natrium-Feststoffbatterie als zukünftiges Batteriesystem, auch hinsichtlich einer Verbesserung des Umweltprofils von Elektrofahrzeugen vorgenommen werden. Hierzu wird eine Umweltbilanz der in diesem Projekt entwickelten Feststoffbatterie entsprechend internationaler Normen erstellt.

Das vorliegende Forschungsprojekt besitzt eine grundlegende Funktion bei der Materialentwicklung und der Beurteilung der Machbarkeit neuartiger natriumbasierter Feststoffbatterien. Die Anforderungserhebung und Evaluation dient einer faktenbasierten Einschätzung der Technologie als möglicher Nachfolgerin für Lithium-Ionen-Zellen im größeren Rahmen der Elektromobilität in Deutschland. Eine Steigerung der Energiedichte und Sicherheit in Verbindung mit geringeren Produktionskosten kann bei mittelfristiger Industrialisierung der Technologie eine vollständig neue Wertschöpfungskette generieren, an der der Standort Deutschland maßgeblich partizipieren könnte. Hieraus ergibt sich direkt eine langfristige positive wirtschaftliche Verwertbarkeit für die beteiligten Partner und den Automobilstandort Deutschland. Somit sind material- und prozessspezifische Ansätze zur Herstellung dieser neuen Batteriegeneration und eine Bewertung zu deren Umsetzbarkeit elementar, um eine weltweite Führungsrolle auf diesem Gebiet einzunehmen. Der angestrebte fachliche Austausch führt zur Ausbildung hochqualifizierter Arbeitskräfte, die das Fundament für eine erfolgreiche deutsche Batterieindustrie – insbesondere für den automobilen Sektor – bilden werden.