TRANSITION: Die Natrium-Ionen-Batterie

Natrium-Ionen-Batterien (NIB) stellen eine vielversprechende Alternative bzw. Ergänzung zu Lithium-Ionen-Batterien (LIB) dar. Natrium kommt in großen Mengen in der Natur vor – etwa im Meerwasser – und kann kostengünstiger gewonnen werden als Lithium. Für die Herstellung von NIB müssen keine neuen Produktionslinien entwickelt werden. Sie lassen sich ohne größere technische Veränderungen auf Anlagen für die Herstellung von LIB fertigen – und das sogar kostengünstiger, weil Aluminium als Ableiterfolien für die Anoden statt des teureren Kupfers verwendet werden kann. Außerdem diffundieren Natrium-Ionen sehr schnell durch Festkörperelektrolyte, sodass auch Festkörper-Natrium-Batterien eine vielversprechende Ergänzung oder gar Alternative zum Lithium-Pendant darstellen könnten.

Im Vergleich zu ähnlichen LIB-Typen besitzen NIB eine um etwa 0,3 Volt geringere Zellspannung. Natrium-Ionen sind größer und schwerer als Lithium-Ionen, weshalb vergleichbare NIB geringere Energiedichten haben werden. Das größere Volumen der Ionen kann auch dazu führen, dass die Gitterstrukturen der Elektroden, in welche die Ionen beim Laden und Entladen eingelagert werden, stärkeren Volumenschwankungen ausgesetzt sind. Dies kann zu Überanspruchung und Schäden und somit zu Kapazitätsverlusten führen. Schließlich ist Natrium-Metall reaktiver als Lithium-Metall. Deshalb muss eine unerwünschte Metallabscheidung auf der Elektrodenoberfläche verhindert werden, um die Sicherheit des Systems zu gewährleisten.

Eine Herausforderung liegt zunächst darin, den Nachweis zu erbringen, dass sich eine NIB in realen Anwendungen wirtschaftlich betreiben lässt. Dies ist das Ziel vom Verbundvorhaben TRANSITION: leistungsstarke NIB als eine ergänzende oder alternative Technologie für LIB zu entwickeln. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben sich vorgenommen, zwei Demonstrator-Batterien zu bauen: eine mit flüssigem Elektrolyten und eine Festkörperbatterie, die ohne jegliche Flüssigkeiten auskommt. Beide werden unter Berücksichtigung von „Eco-Design“-Prinzipien im Sinne der Circular-Economy-Strategie der EU entwickelt, um eine nachhaltige und kostengünstige Batterietechnologie zu realisieren und diese der Industrie zugänglich zu machen.

Um eine nachhaltige und ökonomisch günstige Kathode zu entwickeln, setzen die Projektpartner auf sogenannte cobaltfreie Schichtoxide, in welche die Natrium-Ionen eingelagert werden können.

Im Flüssigelektrolyt-Demonstrator kommt eine Anode mit einem Aktivmaterial auf Kohlenstoff-Basis, einem sogenannten Hard-Carbon, zum Einsatz. Im Demonstrator mit Festkörperelektrolyt soll stattdessen ein anodenfreies Konzept zum Einsatz kommen. Dabei wird das Natrium aus der Kathode erst während des ersten Ladevorgangs auf dem Aluminium-Stromsammler abgeschieden, wo es dann die Natrium-Metall-Anode bildet. Dieser Ansatz bietet nicht nur eine höhere Energiedichte, sondern birgt auch ein noch höheres Kosteneinsparpotenzial, da er eine sogenannte bipolare Bauweise ermöglicht. Für die gesamte Zelle wird nur ein einseitig beschichtetes Elektrodenband benötigt. Dies vereinfacht die folgenden Prozessschritte, da im Produktionsprozess nur eine Elektrode geschnitten und gestapelt werden muss. Dass die Zelle ohne Natrium-Metall zusammengebaut werden kann, sorgt zudem für eine höhere Sicherheit in der Fertigung und beim Transport der Batteriezellen. Beide Ansätze werden im Projekt schließlich unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten verfolgt und bewertet.

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