Natriumbasierte feste Sulfid- und Oxid-Elektrolyt-Batterie

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.