Hocheffiziente, kostengünstige und langlebige Natrium-Ionen-Batterie Zellen
Projektdurchführung
Nacelle GmbH
Haller Str. 46
74549 Wolpertshausen
Zielsetzung
Batterien spielen eine entscheidende Rolle in der Transformation der (Strom-)Wirtschaft zu einer CO2 neutralen Zukunft. Die Emissionsreduktion hängt primär vom vorliegenden Strom- bzw Energiemix ab. Einerseits für den Energieaufwand während der Erzeugung, andererseits während ihres Betriebs. Überdies dürfen CO2 Emissionen für die Erzeugung, Raffinierung und den Transport von Grundmaterialien nicht vernachlässigt werden. Hier setzen die in diesem Projekt beschriebenen Innovationen an. Aktuelle State-of-the-Art LIB Batterien verwenden einerseits nicht weltweit geläufige Rohstoffe, wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit. Diese Rohstoffe werden primär in China raffiniert. Die so hergestellten Ausgangsmaterialien werden dann ihrerseits erneut über weite Strecken transportiert. Anodenseitig wird aktuell Graphit verwendet. Beispielsweise stammen sowohl natürlicher (74%) als auch synthetischer Graphit (51%) primär aus China, weswegen chinesische Exportrestriktionen auf diesen essentiellen Zellbestandteil ein zusätzliches Hemmnis für die europäische LIB Technologie darstellen. Zusätzlich bedürfen LIB Batterien deutlich mehr CO2 in der Herstellung aufgrund der Anforderung an die Trockenräume, was bei NIB zumindest mit zusätzlicher Forschung deutlich reduzierbar wäre. Im Gegensatz dazu beruhen die Materialien für hier entworfene NIB auf weltweit geläufigen Mengenrohstoffen, was sowohl Kosten, CO2 Emissionen, Umweltbelastungen, und eben auch Abhängigkeiten von außereuropäischen Ländern minimiert.
Für eine Transformation hin zu einer nachhaltigen, erneuerbaren Wirtschaft sind billige Energiespeicher essenziell. Seit langem werden in den Roadmaps NIB als die beste Zukunftstechnologie bezeichnet, um möglichst kostengünstige Energiespeicher zu bauen. Daher wurde ein Konzept der vertikalen Integration entlang der Wertschöpfungskette erarbeitet, dass mit hoher Erfolgswahrscheinlichkeit, binnen von zwei Jahren zu einem NI-Batteriepack Prototyp führen soll. Der große Vorteil darin besteht in der raschen Weitergabe von Innovationssprüngen an den Prototypen und eventuellen Produkten. Die Zielsetzung ist eine Zelle mit einer Energiedichte von 180 Wh/kg zu entwickeln, welche dann in Endanwendungen wie Gabelstapler, Heimspeicher, und stationäre Speicher eingesetzt werden kann. Durch den angestrebten niedrigen Preis pro kWh für NIB’s sind alle Anwendungen mit einer niedrigen bis mittleren Energiedichte denkbar.
Arbeitsschritte
Im Projekt „Nacelle“ wurden Methoden zur Herstellung und Stabilisierung von Natrium-Ionen-Batteriezellen auf Basis von Preußisch Weiß (PW) als Kathodenmaterial entwickelt und erprobt. Die Arbeiten umfassten die Einrichtung einer vollständigen Laborinfrastruktur, die Entwicklung von Syntheseverfahren für Kathodenmaterialien, deren chemische und elektrochemische Beschichtung mit leitfähigen Polymeren sowie die Fertigung und Testung erster Pouch- und Coinzell-Prototypen.
Zu Beginn (AP1) erfolgte der Aufbau des Labors mit der Anschaffung und Inbetriebnahme zentraler Geräte für die Elektroden- und Zellfertigung: Beschichtungs- und Kalandrieranlagen, Schneid- und Stanzmaschinen, Stapel- und Versiegelungstechnik für Pouchzellen sowie Glovebox-Systeme für Materialherstellung und Zellassemblierung. Parallel wurden die grundlegenden Prozessparameter für die Elektrodenbeschichtung ermittelt und optimiert.
Im nächsten Schritt (AP2) wurde eine Vorrichtung zur Elektropolymerisation leitfähiger Schutzschichten aufgebaut. Dazu wurde ein PMMA-Reaktor mit Platin-beschichteter Gegenelektrode konstruiert und mit einem Elektrolytsystem betrieben. Ein Monomer wurde elektrochemisch polymerisiert, wobei durch gepulsten Spannungsbetrieb eine homogene, dünne Schicht auf den Kathodenmaterialien erzielt werden konnte.
In Arbeitspaket 3 stand die Synthese des Kathodenmaterials im Fokus. PW wurde durch Fällungsreaktionen in einem Glovebox-Reaktor hergestellt, gewaschen und anschließend chemisch beschichtet. Neben ex-situ Beschichtungen auf fertigen PW-Partikeln wurden auch in-situ Komposite synthetisiert, bei denen PW-Primärpartikel direkt mit einem Polymer vernetzt wurden.
Die beschichteten Materialien wurden anschließend zu Elektroden verarbeitet: Slurry-Herstellung in wässrigen Systemen mit Bindern wie Na-CMC, Auftrag per Rakeltechnik, Trocknung über 100 °C sowie mechanische Verdichtung durch Kalendrierung. Erste Prototypzellen (Pouch- und Coin-Format) konnten so gefertigt werden.
Zusammenfassend wurden im Projekt innovative Ansätze für die Herstellung, Beschichtung und Verarbeitung von Preußisch Weiß-basierten Kathodenmaterialien erarbeitet. Die Methoden ermöglichen die gezielte Verbesserung von Stabilitä
Ergebnisse
Im Verlauf des Projekts konnte gezeigt werden, dass die Herstellung und Modifikation von Preußisch Weiß (PW) als Kathodenmaterial für Natrium-Ionen-Zellen prinzipiell erfolgreich durchführbar ist. Die experimentellen Arbeiten verdeutlichten jedoch auch die bestehenden Einschränkungen sowohl bei der Materialstabilität als auch bei der Übertragbarkeit in funktionale Pouchzellen.
Bei der Synthese von PW im Arbeitspaket 3 wurden sowohl unbeschichtete als auch in-situ beschichtete Materialien untersucht. Es zeigte sich, dass die in-situ Kompositbildung zu homogeneren Partikelstrukturen führte, die mechanisch stabiler waren und eine verbesserte Dispergierbarkeit im Slurry aufwiesen. Die chemische Beschichtung brachte ebenfalls Vorteile hinsichtlich Leitfähigkeit und Stabilität.
Die Übertragung auf Elektrodenfertigung und Prototypzellen zeigte, dass die grundlegenden Prozessschritte etabliert werden konnten. Beschichtete PW-Elektroden ließen sich erfolgreich herstellen und kalandrieren, die Verarbeitung im Slurry- und Rakelprozess verlief stabil. Allerdings blieben die erreichten Pouchzellen auf frühe Prototypstadien beschränkt. Ursachen hierfür lagen zum einen in der begrenzten Zeit und Ressourcen für weitergehende Optimierung, zum anderen in der inhärenten volumetrischen Limitierung von PW im Vergleich zu LiFePO₄.
Besonders hervorzuheben sind die ökologischen Vorteile des gewählten Material- und Prozessdesigns. PW lässt sich aus wenigen, einfach verfügbaren Ausgangsstoffen in wässrigen Medien synthetisieren. Für die Elektrodenfertigung konnte ein wasserbasiertes Slurry-System etabliert werden, wodurch auf toxische organische Lösungsmittel verzichtet wird. Zudem erlaubte das Materialdesign eine Assemblierung der Zellen bis zur Endversiegelung außerhalb eines Trockenraums oder einer Glovebox. Erste interne Berechnungen zeigen dadurch eine deutliche Verringerung des Energieeinsatzes, mit einer potenziellen Reduktion des CO₂-Footprints von 50–60 % im Vergleich zu klassischen Li-Ionen-Prozessen. Ein weiterer Vorteil liegt in der Rohstoffsituation: Die eingesetzten Chemikalien sind in Europa breit verfügbar und müssen nicht über lange Transportwege importiert werden, was zusätzliche Umweltbelastungen vermeidet.
Öffentlichkeitsarbeit
Die Ergebnisse dieser Arbeit wurde mehrmals veröffentlicht.
1. Präsentation auf der Smarter E Messe zusammen mit der DBU.
2. Präsentation auf dem Virtual Battery Day im November 2024
3. Publikation von Auszügen auf LinkedIn
Fazit
In diesem Projekt wurde eine Methode entwickelt, um Mangan-dotiertes preussisch Weiss deutlich langlebiger zu machen - mit Zyklenzahlen, die man auch von Lithium-Eisen-Phosphat Akkus kennt, die schon bisher als sehr langlebig gelten. Durch die Erhöhung Spannung können der wesentliche Nachteil der geringeren Energiekapazität von preussisch Weiss mitigiert werden. Das so entstandene Material kann nicht nur LFP, sondern auch NiCd und Blei-Säure Batterien ersetzen.