NAWIN - Natrium-Ionen Batterien zur stationären Speicherung von elektrischer Energie aus regenerativer Gewinnung

Die verstärkte Nutzung regenerativer fluktuierender Energien in der Stromversorgung erfordert neue Materialien und nachhaltige Technologien für die Energiespeichertechnik. Im Hinblick auf die weltweit zunehmende Verknappung von Rohstoffen kann die Nachhaltigkeit dieser Entwicklungen nur dann sichergestellt werden, wenn es gelingt, simultan Leistung, Ressourcen-, Energie- und Kosteneffizienz von Energiespeichersystemen zu steigern und die heute vielfach mit der Batterieherstellung verbundenen Umwelt­belastungen zu vermeiden. Im vorliegenden Projekt wurden neue Wege erforscht, um durch bioinspirierte Materialentwicklung und grüne Chemie die Entwicklung von Natriumionen-Batterien zum Einsatz in stationären Speichersystemen voranzutreiben.

Im Gegensatz zur Anwendung in der Elektromobilität besteht bei stationären Anwendungen naturgemäß ein größerer Spielraum für das spezifische Gewicht und das spezifische Volumen eines Batteriespeichers. Der Platzbedarf kann für ein derartiges Batteriesystem meist eine untergeordnete Rolle spielen. Wenn diese Einschränkung nicht besteht, ist es möglich, durch die Auswahl von wesentlich preiswerteren Materialien die spezifischen Speicherkosten eines Batteriespeichers zu senken.
Die Basis für das vorliegende Projektvorhaben bildet eine am Fraunhofer ISE entwickelte Natrium-Ionen Batteriezelle mit einem wässrigen Elektrolyten, welche unter genau dieser Zielvorgabe entwickelt wurde. Die größte Einschränkung in Bezug auf die erreichbare Energiedichte stellt die, bedingt durch den wasserbasieren Elektrolyten, vergleichsweise niedrige Zellspannung dar.
Die Grundidee ist es, die niedrigere Zellspannung von wasserbasierten Batterien und der damit verbundenen niedrigeren Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen Batterien dadurch auszugleichen, indem man entsprechend dickere Elektroden verwendet und so die gleiche Energiemenge je Projektionsfläche erreicht. Dickere Elektroden sind bei wasserbasierten Batteriezellen und den damit verbundenen hohen Ionenleitfähigkeiten im Elektrolyten gut möglich.
Anders als bei der Herstellung von Lithium-Ionen Batterien wird in dem hier beschriebenen Konzept nicht mit großflächigen Substraten im Rolle-zu-Rolle-Verfahren gearbeitet, sondern in einem sogenannten "Sheet-to-Sheet"-Verfahren, bei dem nur kleine Einzelsubstrate gehandhabt werden. Dieser Prozess ist zwar etwas teurer als ein Rolle-zu-Rolle-Prozess, aber die dabei verwendeten Anlagen sind wesentlich weniger komplex.