Optimierte Natrium-Feststoffbatterien mit neuen Anoden basierend auf Kohlenstoffgerüststrukturen

Das Verbundvorhaben NATTER beschäftigt sich mit der Entwicklung von Natrium-Feststoffbatterien. Ziel ist dabei die Entwicklung einer Feststoffbatterie auf Basis gut verfügbarer Elemente. So soll diese ohne Materialien wie Lithium oder Kobalt auskommen. Im Gegensatz zur Forschung auf Lithium-Feststoffbatterien, für welche Materialien zumindest teilweise kommerziell erhältlich sind, gibt es für Natrium-Feststoffbatterien kaum kommerziell erhältliches Material, so dass alle Zellkompo-nenten selbst synthetisiert, charakterisiert und kombiniert werden müssen. Als Anodenaktivmaterial sollen Kohlenstoffe eingesetzt werden, als Kathodenmaterial Schichtoxide. Die Funktion der Zelle soll durch Nutzung von zwei verschiedenen, anorganischen Festelektrolyten (FE) gewährleistet werden. So soll ein sulfidischer FE als Separator und Anolyt genutzt werden und ein halogenidischer FE als Katholyt. Die Materialauswahl und die Zielsetzungen des Projekts basieren auf Vorerfahrungen, die im Projekt NASEBER gesammelt wurden.
Im Zentrum des Teilvorhabens der HU Berlin stehen Arbeiten auf Schichtoxiden, welche sich durch eine hohe chemische Vielfalt auszeichnen. Dies lässt ein gezieltes Design der Eigenschaften des Elektrodenmaterials zu.
Folgende Kernaspekte sind Ziele des Teilvorhabens:
• Als Teil des Arbeitspakets 1 – Bereitstellung der Materialien
o Synthese und Bereitstellung von Kathodenmaterialien auf Basis von Na0.66Fe0.4Mn0.5Ti0.1O2 (FMT).
o Ausgehend von FMT eine Variation der Zusammensetzung, insbesondere durch Erhöhung des Natriumgehalts sowie Variation des Verhältnisses der Übergangsmetalle
• Als Teil des Arbeitspakets 2 – Zellbau und Zellperformance der Feststoffbatterien
o Präparation von Elektrodenkompositen bestehend aus FMT und halogenidischen Festelektrolyten.
o Elektrochemische Untersuchungen (Lade-/Entladecharakteristik, Ratenfähigkeit, Langzeitstabilität)
o Optimierung der Eigenschaften durch Variation der Elektrodenzusammensetzung sowie des Präparationsprozesses.
o Optimierung der Eigenschaften u.a. durch Variation von Druck (stack pressure, preparation pressure) und Temperatur.
• Als Teil des Arbeitspakets 3 – Querschnittsarbeitspaket Analytik
o Einsatz verschiedener Messmethoden zur Charakterisierung der Materialien und Zellen, u.a. über Röntgendiffraktion, Mikroskopie (SEM, LM), Elementbestimmung)
o Detailliertere elektrochemische Charakterisierung von ausgewählten Zellsystemen: Variation Spannungsfenster, Variation Druckfenster, Variation Temperaturfenster, Impedanzspektroskopie
o Einsatz und Weiterentwicklung spezieller Charakterisierungsmethoden wie Tomographie gemeinsam mit Projektpartnern.
• Als Teil des Arbeitspakets 4 – Evaluation der Na-Feststoffbatterien
o Bewertung der Ergebnisse von Halbzellen- und Vollzellenexperimenten. Evaluation der Kenndaten hinsichtlich Energie- und Leistungsdichte, Stabilität und Prozessierbarkeit.
Innerhalb des Verbunds verantwortet die HUB das Arbeitspaket 2.