Natriumbasierte feste Sulfid- und Oxid-Elektrolyt-Batterie

Ziel des Projekts NASEBER ist die Erforschung einer natriumbasierten Feststoffbatterie und die Prüfung ihrer Eignung für automobile Anwendungen. Im Projekt soll ein perfekt abgestimmter Zellverbund entwickelt werden. Der Einsatz eines Festelektrolyten erfordert ein entsprechendes Grenzflächendesign und die Entwicklung dreidimensionaler Durchdringungsstrukturen, weshalb sich die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf die elektrochemisch aktiven Komponenten Anode, Kathode, Elektrolyt und deren Grenzflächen zugleich konzentrieren werden. Die hergestellten Feststoffbatterien sollen in Bezug auf mögliche Energie- und Leistungsdichte, Alterungsverhalten und Kostenstruktur einer industriellen Hochskalierung für automobile Anwendungen bewertet werden.

Ziel des Forschungszentrums Jülich ist hierbei die erfolgreiche Verfahrensentwicklung zur Herstellung von dichten und porösen Komponenten für Natriumbatterien. Dies beinhaltet einerseits eine reproduzierbare Herstellung der Ausgangspulverqualität als auch die reproduzierbare Schlickerherstellung für den Foliengießprozess und die Definition der Prozessparameter für das Gießen, Trocknen und Sintern der Komponenten.

In diesem Arbeitspaket werden phosphatbasierte Na+-Ionenleiter als Elektrolytmembran hergestellt und verarbeitet. Es soll eine Festkörper-Synthese auf Basis von Salzen entwickelt werden, bei der möglichst wenig Nitrate eingesetzt werden, um die Umwelt so wenig wie möglich zu belasten und eine industrietaugliche Herstellungsmethode zu etablieren. Die Pulver werden zunächst für die Herstellung dichter, dünner (150-250 μm) und mechanisch stabiler Festelektrolyte mittels Foliengießen verwendet.

Anhand dieser dichten Schichten wird die Kompatibilität der Elektrolytoberfläche mit einer metallischen Anode untersucht und optimiert. Hierbei werden die Grenzflächeneigenschaften charakterisiert. Für den Kontakt zwischen Festelektrolyt und Metallanode soll das Konzept der Beschichtung (z. B. mittels ALD) mit einer dünnen Schutzschicht überprüft werden, sofern die Festelektrolyte keine inhärente Stabilität gegenüber dem Metall aufweisen. Die dichte, anodenseitig stabilisierte Membran soll zum Aufbau der optimierten Vollzelle dienen.

Nachdem dichte einlagige Elektrolytschichten vorliegen, zielt die weitere Entwicklung auf die Herstellung mehrlagiger Elektrolytstrukturen mittels sequenziellem Foliengießen ab. Nach dem Sintern erhält man dann eine dichte Schicht mit einer Dicke von etwa 20-100 µm und – je nach angestrebten Batteriedesign – eine oder zwei poröse Schichten, in die das Aktivmaterial der Kathode auf der einen Seite und metallisches Natrium auf der anderen Seite infiltriert wird. Alternativ kann bei einem zweilagigen Verbund auf der dichten Elektrolytseite auch eine rein metallische Natriumanode aufgebracht werden. Die Porosität muss für die Infiltration in besonderer Weise optimiert werden, um die Aktivmaterialien bis direkt an die dichte Elektrolytschicht zu befördern.

Festkörperbatterien sollen das Potenzial haben, in ihren einzelnen Eigenschaften mindestens die durch die nationale Plattform für Elektromobilität definierten Ziele für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien für die Jahre nach 2020 zu erfüllen. Dies ist für Natrium-Batterien eine besondere Herausforderung. Mit dem Teilvorhaben wird ein Beitrag geleistet, um Deutschland als Technologiestandort für zukünftige Batteriegenerationen zu etablieren.

Das in diesem Projekt generierte Kernwissen zur Herstellung von Festelektrolyten und Feststoffbatterien soll dazu beitragen, Festkörperelektrolyte und andere Batteriematerialien kommerziell verfügbar zu machen, da es derzeit nur wenige Hersteller weltweit gibt, insbesondere für Na-haltige Werkstoffe.