Untersuchung von Kohlenstoffnanomaterialien und Kompositen für die Speicherung von Natrium in Natriumionenbatterien / Anteil Sino-German Center

Die Suche nach effizienten, zuverlässigen und kostengünstigen elektrochemischen Energiespeichern ist eine fortlaufende und gesellschaftlich hochrelevante Aufgabe. Da die Lithium-Ionen-Batterie-Technologie (LIB) immer mehr an ihre Grenzen stößt, wird derzeit eine Reihe von Alternativen untersucht. Dazu gehören auch Natrium-Ionen-Batterien (NIBs), deren Entwicklung vor allem durch die reichliche Verfügbarkeit von Natrium motiviert ist. Auch ohne die reichliche Verfügbarkeit von Natrium besteht ein klarer und allgemeiner Bedarf an der Entwicklung potenzieller Alternativen zur herkömmlichen LIB-Technologie, da mit dem Eintritt der Elektrifizierung des Verkehrs und der stationären Energiespeicherung in den Massenmarkt ein massiver Anstieg des Materialbedarfs zu erwarten ist. Die Verwendung von Kohlenstoffmaterialien in NIBs ist daher ein naheliegender Ansatz, um Batterien auf der Basis reichlich vorhandener Elemente herzustellen. Die Verwendung von Kohlenstoffmaterialien in NIBs ist jedoch noch wenig erforscht und erfüllt bislang nicht alle relevanten Kriterien für die Anwendung (Kapazität, Kinetik, coulombische Effizienz, Redoxpotenzial). Insgesamt besteht ein klarer Bedarf an einem grundlegenderen Verständnis der Speicherung von Natriumionen in Kohlenstoffstrukturen. Hier will das Projekt wichtige Beiträge leisten. Kohlenstoffmaterialien mit maßgeschneiderter Struktur und chemischer Zusammensetzung werden synthetisiert und ihr Ionenlagerungsverhalten in Natrium- (und Lithium-)Zellen bewertet, um Einblicke in die komplexen Speicherphänomene sowie die zugrunde liegenden physikalisch-chemischen Prinzipien zu gewinnen. Als Hauptinhalt des Projekts wird der Einfluss der Oberflächenchemie, Morphologie und Heteroatomdotierung auf die Kinetik und Thermodynamik des Ladungsspeichermechanismus sowie auf die Oberflächenfilmbildung (Solid Electrolyte Interphase, SEI) untersucht. Auf diese Weise wollen wir die derzeitigen Einschränkungen für Kohlenstoffmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien überwinden und können auch beurteilen, ob Kohlenstoff-Nanomaterialien nur Modellsysteme bleiben oder tatsächlich zur Entwicklung praktischer NIBs beitragen können.