Poröse, keramische Elektrolyte in Natrium-Ionen-Batterien

Die Entwicklungsziele des Teilprojekts „Zellentwicklung und elektrochemische Charakterisierung“ lassen sich in zwei Hauptteile untergliedern.

Erstens ist die permanent begleitende elektrochemische Charakterisierung der vom Projektpartner Universität Leipzig synthetisierten, porös geträgerten, keramischen Dünnschichtelektrolyte (PKDE) notwendig, um den Erfolg der Herstellung zu kontrollieren. Hierzu fallen Arbeiten zur Elektrolytmodifizierung an: Entwicklung einer Dünnschicht-Synthese Route durch spin coating von β“-Aluminat, sowie eine Erforschung von Kohlenstoffschicht in Nano- bis Mikrometer Dicke. Des Weiteren wird für alle hergestellten und übergebenen Elektrolyte eine Leitfähigkeit ermittelt werden müssen. Dies bedingt die Anpassung (a) der Messgeormetrie oder (b) der übergebenen Proben.

Zweitens wird eine Batteriezelle für die PKDE entworfen und konstruiert. Ausgewählte porös geträgerten, keramische Dünnschichtelektrolyte (PKDE) werden anschließend zu einer Na/NiCl2-Batterie verbaut. Die Zyklierung dieser planaren Demonstratorzelle erfolgt bei verschiedenen Temperaturen zwischen 150 °C und 300 °C bei Strömen von bis zu 0,25 A/Ah. Diese Untersuchungen erlauben den proof of concept einer Na/NiCl2-Batterie, welche bei unter 175 °C betrieben wird. Dies ermöglicht eine völlig neue Art der Dichtungskonzepte für diesen Batterietyp.

Die Arbeitsschwerpunkte des Teilprojekts „Zellentwicklung und elektrochemische Charakterisierung“ gliedern sich in Analyse der Natrium-Ionen-Leitfähigkeit (inkl. Aufbau eines Teststands), strukturelle post-mortem Analyse der modifizierten Elektrolyte, das Designen und die Konstruktion eines Demonstrators der porös geträgerten, keramischen Dünnschichtelektrolyte (PKDE). Somit werden die Arbeiten des Projektpartners abgerundet, indem der Festelektrolyte erst eine funktionierende Batterie (Na/NiCl2) überführt wird. Hier liegt das Augenmerk nicht zwangsläufig auf materialwissenschaftlichen Fragestellungen, sondern auf der Entwicklung der Batterien selbst und der Integration des ionenleitenden Materials. Der Demonstrator wird mittels 3D CAD in einem iterativen Designprozess entwickelt. Besondere Berücksichtigung bei der Konstruktion finden Aspekte zur thermomechanischen Spannungsverteilung (Eigenspannungen durch Fügeprozesse Metall-Keramik), dem hydrostatischen Druckaufbau (Kompression der Gase im Anoden- und Kathodenraum beim Laden bzw. Entladen) und die günstige Kontaktierung des Elektrolyten in der Zellen (Elektrodendesign). Neben den genannten Gesichtspunkten sind die Fertigung der einzelnen Bauteile sowie deren Assemblierung durch Laserschweißen zu berücksichtigen. Konstruktion und Beschaffung aller erforderlichen keramischen und metallischen Bauteile (Gehäuse, Elektroden). Zellassemblierung (Kathodenmaterial (NaCl, Ni und NaAlCl4), Befüllung unter Schutzgas sowie dem finalen Zellverschluss durch Laserschweißen.

Planare Na/NiCl2 Zellen bieten die Möglichkeit eine höhere Leistungsdichte von über 150 Wh/kg zu erreichen. Hierbei müssen Elektrolyt-Formgebung und Design bzw. CAD-Konstruktion der Zelle aufeinander abgestimmt sein. Eine weitere Steigerung der Leistungsdichte oder die Absenkung der Betriebstemperatur ist aufgrund der großen Elektrolytdicken jedoch nicht möglich. Für planare und tubuläre Zellen ist insbesondere die Herstellung der Metall-Keramik-Verbünde extrem anspruchsvoll. Im Betrieb der Batterien stellen diese Verbindungen bei > 300 °C eine „Sollbruchstelle“ dar. Durch die Verwendung poröser Elektrolyte ist die Senkung der Betriebstemperatur auf ≤ 175 °C bei gleicher Leistung möglich. Dadurch werden wesentlich vereinfachtere Zellkonzepte möglich (z.B. Verwendung von Polymeren bei dem Design von Zellen, Modulen und Systemen).