VORAN – Innovative Natrium-Ionen-Batteriespeicher für stationäre und mobile Anwendungen

Die Herstellungskosten von Batterien konnten zuletzt durch Weiterentwicklung und Skalierung der Prozesse und Produktion deutlich gesenkt werden. Daher liegt der Fokus der F&E seit vielen Jahren in der Entwicklung neuer Materialien mit großem Potential zur weiteren Kostensenkung: Einerseits können durch Verwendung kostengünstiger und hoch verfügbarer Ausgangsmaterialien die Aktivmaterial-Kosten reduziert werden. Andererseits führt eine Erhöhung der Energiedichte zu einer weiteren Reduktion der Herstellungskosten im Materialbereich und wirkt sich zudem auch kostensenkend auf alle nicht-materialabhängigen Bereiche der Herstellungskosten aus. Die Lithium-Ionen-Technologie weist gegenüber der Natrium-Ionen-Technologie hier u.a. Risiken in der Rohstoffverfügbarkeit und Preisstabilität der Aktivmaterialien auf.

In »VORAN« sollen die Voraussetzungen für Großserienproduktion von Natrium-Ionen-Batterien (NIB) für stationäre und mobile Anwendungen geschaffen werden. Die Großserienproduktion soll nach Projektende durch die Firma Helmut Hechinger GmbH aufgebaut werden. Als Basis dient eine innovative Technologieplattform, die ein schlankes Produktionsumfeld ermöglicht und durch den flexiblen Einsatz von neuen Zellchemien zukunftssicher ausgerichtet ist. In diesem Vorhaben werden alle Bestandteile der Technologie als auch die Produktionstechnik zur Herstellung der Batterien entlang der gesamten Wertschöpfungskette einschließlich des Recyclings der Batterien entwickelt. 

Der inhärente Nachteil der NIB- im Vergleich zur LIB-Technologie in Bezug auf die Energiedichte ist bedingt durch die um ca. 0,3 V niedrigere Potentiallage gegenüber Lithium. Sie kann jedoch auf der Modulebene der Batterie durch verschiedene Maßnahmen ausgeglichen werden, die im Projekt angestrebt werden:

• Verschiebung des Aktiv- und Passivmaterial-Verhältnisses in Richtung der Aktivmaterialien: Hierfür soll die höhere Mobilität von Natrium-Ionen im Elektrolyten im Vergleich Lithium-Ionen genutzt werden. Dadurch können dickere Elektroden im NIB-System eingesetzt werden. Die geringere Anzahl an Stromableitersubstraten und Separatoren bewirkt unmittelbar eine Steigerung der Energiedichte auf Zellebene. 

• Verwendung einer bipolaren Modularchitektur: Durch eine hohe Genauigkeit der Materialdosierung bei der Elektrodenherstellung auf Basis eines Trockenbeschichtungsprozesses ist die Herstellung von identischen und zueinander balancierten Einzelzellen möglich. Die Steigerung der Energiedichte entsteht durch den Wegfall der Verschaltungskomponenten und die Reduktion des Materialaufwands für die Einhausung der Zellen. 

Als Grundlage zur Entwicklung des Systems dient eine bestehende Technologieplattform zur Elektrodenherstellung und Modularchitektur am Fraunhofer ISE. Der Fokus bei den Aktivmaterialien liegt auf Hard Carbon mit einer Kapazität von > 300 mAh∙g-1 und möglichst Nickel-freien und Mangan-reichen Schichtoxiden sowie z.B. Eisen-haltigen Übergangsmetallphosphaten.

Das Projektkonsortium im Vorhaben VORAN bildet diese Wertschöpfungskette vollständig ab: KIT/HIU und Fraunhofer ISE (Material- und Prozessentwicklung); acp (Maschinen- und Anlagenbau, Recycling); Hechinger (Zellherstellung). Der Aufbau und Betrieb der Großserienproduktion nach Projektende wird ebenfalls durch die Partner im Konsortium von VORAN erfolgen.