Kalium-basierte Festkörperbatterien für Technologiediversität und Resilienz

Das Verbundvorhaben KaFeBar beschäftigt sich mit der Entwicklung von Festkörperbatterien mit Kalium als Transportion. Ziel ist dabei die Entwicklung von Festkörperbatterien ohne den Einsatz ressourcenkritischer Elemente wie Lithium, Kobalt oder Nickel. Eine ganz ähnliche Motivation steckt hinter der Entwicklung von Natrium-Festkörperbatterien. Im Vergleich dazu ist die Forschung auf Kalium-Festkörperbatterien aber noch explorativer, da bisher kaum Arbeiten veröffentlicht sind. Ein potentieller Vorteil gegenüber Natrium ist, dass der „Verlust“ and Zellspannung gegenüber Lithium-Festkörperbatterien geringer ausfallen kann, als es für Natrium der Fall ist. Motiviert wird dies durch die Position von Kalium in der elektrochemischen Spannungsreihe, allerdings erfordert der Bau einer Batterie die Kombination von zwei geeigneten Elektrodenmaterialien, so dass ein Beleg für die hohe Zellspannung noch zu erbringen ist. Bei Erfolg wären Kalium-basierte Batterien aber hochattraktiv und die schnelle Entwicklung von Natriumionenbatterien in China zeigt, dass alternative Zellsysteme recht schnell entwickelt werden können, sofern diese intensiv in Betracht gezogen werden. Im Gegensatz zur Forschung auf Lithium-Festkörperbatterien, für welche Materialien zumindest teilweise kommerziell erhältlich sind, gibt es für Kalium-Festkörperbatterien bisher kaum kommerziell erhältlichen Materialien, so dass, mit teilweiser Ausnahme von Graphit, alle relevanten Zellkomponenten selbst synthetisiert, charakterisiert und kombiniert werden müssen.
Der Verbundpartner HUB beschäftigt sich im Projekt mit der Entwicklung und Untersuchung von Anodenmaterialien für Kalium-Festkörperbatterien. Aufgrund des sehr frühen Entwicklungsstadiums sollen als Anodenaktivmaterial insbesondere Graphite untersucht werden. Die Untersuchungen er-folgen in engem Austausch mit dem Konsortium, insbesondere mit dem KMU (Wolfram Chemie). Aufgrund der eingeschränkten Kapazität (KC8) sollen zusätzlich Möglichkeiten erforscht werden, die Speicherkapazität zu erhöhen. Die im TVB verfolgten Ansätze beinhalten adressieren hier Metalle/Legierungen, ungeordnete Kohlenstoffmaterialien sowie Metallphosphide. Die Funktion der Zelle soll durch Nutzung von anorganischen (sulfidischen) und polymeren Festelektrolyten (FE) gewährleistet werden, die von Projektpartnern entwickelt werden. Ebenso werden im Verbund Kathodenmaterialien, die Stabilität der Grenzflächen sowie Sicherheitsaspekte untersucht.
Im Zentrum des Teilvorhabens der HU Berlin stehen Arbeiten zu Graphit, sowie noch explorativer zu Metallen/Legierungen sowie Kohlenstoffen und Phosphiden.