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Humboldt-Universität zu Berlin

Kommunikation, Marketing und Veranstaltungsmanagement (VIII)

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

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Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Kathode, Zelle

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.

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Natriumbasierte feste Sulfid- und Oxid-Elektrolyt-Batterie

Herr Dr. Dominik Alexander Weber

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Konzernforschung: Antriebe Batterie

Volkswagen AG

Global Group Communications

Volkswagen AG Konzernforschung: Antriebe Batterie

Volkswagen AG strebt im Verbundvorhaben die vorwettbewerbliche Entwicklung einer natriumbasierten Festkörperbatteriezelle an, die mittel- bis langfristig industrialisiert den Anforderungen an einen reversiblen Energiespeicher hinsichtlich Reichweite, Sicherheit und Kosten gerecht werden kann. Bei Volkswagen als potentiellem Endnutzer der Batterien steht die Entwicklung eines kostengünstigen und umweltverträglichen Hochenergiespeichers im Vordergrund.
Das Projekt NASEBER ermöglicht es Volkswagen, diese neue Technologie im Hinblick auf ihre Wirtschaftlichkeit im Forschungsstadium bewerten zu können.

Volkswagen übernimmt die Anforderungsableitung für Batterien und Materialien und lenkt auf diese Weise den Fokus vom Projektstart an auf die Berücksichtigung automobiler Anforderungen. Hierbei wird die Erfahrung in der Definition aktueller und zukünftiger Fahrzeuge und Antriebskonzepte vorteilhaft in das Projekt NASEBER eingebracht.
Die Beschichtung von Aktivmaterialien ist ein gängiges Vorgehen, um die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Batteriezellen zu erhöhen. Volkswagen wird die Partner bei der Entwicklung geeigneter schützender Beschichtungen für Kathodenaktivmaterialien und Festelektrolytmembranen unterstützen und selbst mittels verschiedener Verfahren Schutzschichten auf die Werkstoffe aufbringen.

Zudem wird Volkswagen selbst natriumbasierte Feststoffbatterien im Labormaßstab fertigen und basierend auf Modellierungsergebnissen einen erheblichen Beitrag zur schnellen Entwicklung dieser Technologie leisten. Hierzu gehört auch die aktive Mitarbeit bei den Arbeiten zu Zelldesign, Experimentalzellen und Batterievollzellen bei den anderen Partnern. Als potentieller Endnutzer der Feststoffbatterie steht bei Volkswagen die Entwicklung eines kostengünstigen und umweltverträglichen Hochenergiespeichers im Vordergrund. Daher entwickelt Volkswagen ein Kalkulationsmodell zur Herstellkostenplanung zukünftiger natriumbasierter Feststoffzellen, die gegenwärtig noch nicht in Serienproduktion hergestellt werden können. Auf diese Weise wird die neue Technologie im Hinblick auf ihre Wirtschaftlichkeit in einem frühen Entwicklungsstadium bewertet. Neben den schon genannten Aspekten Erhöhung der Sicherheit, der Energiedichte und der Lebensdauer, bieten neue Zelltechnologien zusätzlich das Potenzial zur Verbesserung des Umweltprofils von Elektrofahrzeugen. Volkswagen wird eine Umweltbilanz der in diesem Projekt entwickelten Festkörperbatterie entsprechend internationaler Normen erstellen.

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Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

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.

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Forschungszentrum Jülich GmbH

Unternehmenskommunikation

Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren

Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung

Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IMD-2)

Forschungszentrum Jülich GmbH Institute of Energy Materials and Devices (IMD) Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IMD-2)

Institute of Energy Materials and Devices (IMD)

Herr  Frank Tietz

Arbeitseinheit TZ-PT: Physikalische Technologien / Laserforschung und Lasertechnik

Projektträger: Forschungsförderung | VDI Technologiezentrum Arbeitseinheit TZ-PT: Physikalische Technologien / Laserforschung und Lasertechnik

Projektträger: Forschungsförderung | VDI Technologiezentrum

Leistungsfähige, sichere Batterien können der Elektromobilität zum konsequenten Durchbruch verhelfen da vollelektrische Fahrzeuge mit hoher Sicherheit, Reichweite und langer Lebensdauer attraktiv für den Endverbraucher sind. Die Li-Ionen Technik ist hinsichtlich der erreichbaren Energiedichten bereits weit entwickelt, deckt aber noch nicht die aktuellen Anforderungen ab. Daher müssen neue Zellkonzepte systematisch erforscht werden. Wichtig ist dabei, zukünftige Zellkonzepte schon von Anfang an auf ihren optimalen und effizienten Verwendungszweck hin zu untersuchen.
Die aktuelle Forschung ist bei Feststoffbatterien auf die Verwendung von Lithiummetall in Verbindung mit konventionellen Kathodenaktivmaterialien gerichtet. Mit einer tiefen Marktdurchdringung durch Elektromobile wird der Bedarf an wertvollen Rohstoffen wie Lithium, Cobalt und Nickel exponentiell ansteigen und der Druck hinsichtlich Ressourcenverfügbarkeit und Lieferketten weiter zunehmen, was das Interesse an alternativen Zellkonzepten wachsen lässt. Aufgrund der nahezu unbegrenzten Rohstoffverfügbarkeit im Falle des Alkalimetalls (Natriummetall ist ein Nebenprodukt großskaliger industrieller Verfahren) und der Möglichkeit, Nickel- und Cobalt-freie Kathodenmaterialien zu nutzen, sind natriumbasierte Systeme höchst aussichtsreiche Kandidaten, was verbunden mit dem Konzept der Feststoff-batterie zu einer völlig neuen massenmarkttauglichen Lösung im Fahrzeug führen könnte.

Ziel des Projektes NASEBER ist es eine Natrium-Feststoffbatterie zu entwickeln. Hierbei werden die unterschiedlichen notwendigen Materialien im Kontakt untersucht und optimiert werden. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen letztlich Energie- und Leistungsdichte, Degradationsverhalten sowie Prozessierbarkeit für eine industrierelevante Hochskalierung.

Die in NASEBER geplanten Arbeiten adressieren die Herausforderungen der Feststoffbatterien mit Natrium-basierten Kathodenmaterialien und Festelektrolyten, den Natrium Ionenleitern. Es soll im Rahmen des Projektes eine Na - Feststoffbatterie entstehen.  Auf der Seite der Kathoden wird die JLU Gießen in der Arbeitsgruppe Janek den Einfluss der Grenzflächen zwischen den Aktivmaterialien und Elektrolyten untersuchen und anschließend die Ladungstransferkinetik verbessern. Ein Arbeitsschwerpunkt an der JLU Gießen liegt auf dem grundlegenden Verständnis dieser neuen Zelltechnologie. Ein weiteres Ziel des Teilvorhabens ist es herauszufinden welcher sulfidischer Festelektrolyt für Natrium-Ionen der geeignetste in einer Feststoffbatterie ist. Hierfür wird die Arbeitsgruppe Zeier die Ionenleiter grundlegend untersuchen und hinsichtlich der Leitfähigkeit und Morphologie optimieren.
Des Weiteren muss die Frage geklärt werden, welchen Einfluss die unterschiedlichen Materialzusammensetzungen der Natrium-Feststoffbatterie auf die Performance haben. Hierbei müssen einerseits unterschiedliche Elektrolyte, Einfluss des Aktivmaterials, der Massenverhältnisse und generell der Kompositdarstellung untersucht werden. Das abschließende Ziel dieses Teilvorhabens ist die Evaluation dieser Kathodenhalbzellen für den Einsatz der Natrium-Feststoffbatterie.

Batteriekonzepte wie die hier neu zu untersuchende Natrium-basierte Feststoffbatterie bedürfen noch umfangreicher vorwettbewerblicher Forschung im Bereich der Material- und Prozessentwicklung, um die technologische und industrielle Relevanz zu demonstrieren. Um eine qualifizierte Aussage über die Eignung eines neuen Konzeptes für die Elektromobilität zu treffen, müssen sowohl die erreichbaren, realen Energie- und Leistungsdichten auf Zell- und Modul-Ebene als auch die Skalierbarkeit der Synthese auf notwendige Prozessschritte und -methoden hin untersucht werden. Dabei müssen die verwendeten Systeme schon im Labormaßstab unter Berücksichtigung dieser Parameter optimiert werden, um ein sinnvolles Benchmarking mit herkömmlichen Systemen zu gewährleisten. Diese Art der vorwettbewerblichen Forschung und Entwicklung von neuen Batteriekonzepten ist mit hohem Risiko behaftet, aber für Industrieunternehmen hochinteressant, da eine frühe Identifikation aussichtsreicher Kandidaten einen internationalen Wettbewerbsvorteil verspricht. Der hier verfolgte Ansatz verbindet die Arbeitsfelder Na-Metallanode (hohe Energiedichte), Na-Kathoden (maßgeschneiderte Kathode) und Feststoffbatterie/ Festkörperelektrolyt in einem neuen Zellkonzept – der Natrium-basierten Feststoffbatterie – und stellt somit ein potentiell hochrelevantes Batteriesystem für die zukünftige Elektromobilität dar.

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Justus-Liebig-Universität Gießen

Presse, Kommunikation und Marketing

Physikalisch-Chemisches Institut

Justus-Liebig-Universität Gießen Physikalisch-Chemisches Institut

Herr Dr. Wolfgang Zeier

Fachgebiet Physikalische Chemie der Materialien / Elektrochemie

Humboldt-Universität zu Berlin Institut für Chemie Fachgebiet Physikalische Chemie der Materialien / Elektrochemie

Duration	01/01/2019 - 31/07/2022
Executing unit	HU Berlin • Inst Chem • FG PC Mat
City	Berlin
Amount of funding	309.336,00 €
Total budget	309.336,00 €
Sponsor	BMFTR

Project

NASEBER

Natriumbasierte feste Sulfid- und Oxid-Elektrolyt-Batterie

Content description of the sub-project

Brief description

Project management as

Fachgebiet Physikalische Chemie der Materialien / Elektrochemie

Humboldt-Universität zu Berlin

Funding

This project is part of the joint project

NASEBER

Other sub-projects of the joint project

Sub-project 1

Duration:

Funding code:

Konzernforschung: Antriebe Batterie

Sub-project 2

Duration:

Funding code:

Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IMD-2)

Sub-project 3

Duration:

Funding code:

Physikalisch-Chemisches Institut

This project is part of the funding initiative

Sub-project lead

Fachgebiet Physikalische Chemie der Materialien / Elektrochemie

Sub-project manager

Press contact

Joint-project management

Konzernforschung: Antriebe Batterie

Joint-project coordinator

Press contact

Final reports and other publications at the TIB - Leibniz Information Centre for Science and Technology and University Library