Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISEIm Forschungsprojekt »PRONTO« werden skalierbare Produktionsprozesse, Zellarchitekturen und Aktivmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien (NIB) mit dem Ziel entwickelt, eine Batteriezellproduktion in Baden-Württemberg aufzubauen. Das Projektkonsortium, bestehend aus Fraunhofer ISE, KIT und Universität Stuttgart, wird von assoziierten Industriepartnern begleitet.
Produktion von Natrium-Ionen-Batterien in Baden-Württemberg
PRONTO
Batterieelektrode für die Natrium-Ionen-Batterie auf Basis einer Trockenbeschichtung als Konzept für den Natrium-Ionen-Batteriezellstack.
Ausgangslage
Die Erfolge der Lithium-Ionen-Technologie zeigen Potenzial für Elektrifizierung, bringen aber Lieferkettenrisiken durch kritische Rohstoffe wie Lithium und Kobalt mit sich. Natrium-Ionen-Batterien bieten eine attraktive Alternative dank niedrigeren Rohstoffkosten, guter Temperaturstabilität und hoher Schnellladefähigkeit, leiden jedoch an geringerer Energiedichte. Konventionelle, lösungsmittelbasierte Beschichtungsverfahren verursachen hohe Kosten, Energieaufwand und Lösungsmittelrückgewinnungsprobleme. Daher besteht Bedarf an umweltverträglichen, kosteneffizienten und skalierbaren Produktionsverfahren sowie optimierten Zellarchitekturen für NIB.
Ziel
»PRONTO« zielt auf die Entwicklung und Demonstration von: (1) optimierten Anoden- und Kathodenaktivmaterialien für NIB; (2) einer großformatigen, bipolar ausgelegten Zellarchitektur; (3) eines skalierbaren Trockenbeschichtungsverfahrens zur Elektrodenfertigung; (4) einer Gesamtkonzeption für eine Produktionslinie inklusive techno-ökonomischer Bewertung. Das Projekt beabsichtigt, Materialien, Modellierung und Prozesstechnik so zu verknüpfen, dass eine industrielle Fertigung von NIB in Baden‑Württemberg realisierbar wird.
Übersicht über die Projektpartner mit der Aufgabenverteilung im Projekt sowie der assoziierten Partner.
Lösungsansatz
Auf Basis vorhandener Vorerfahrungen implementiert das Fraunhofer ISE ein innovatives, skalierbares Trockenbeschichtungsverfahren zur Herstellung von Elektroden, das Trocknungskosten reduziert, die Umweltbilanz verbessert und die Prozessintegration erleichtert. Das KIT entwickelt und synthetisiert optimierte Aktivmaterialien und Elektrolyte; die Universität Stuttgart erbringt Modellierungen zur Zelloptimierung und liefert Designparameter für anwendungsspezifische Performance. Am Fraunhofer ISE werden sowohl kleine Versuchszellen für Materialtests als auch großformatige Bipolar-Zellformate mittels Trockenprozessierung realisiert. Parallel erfolgt die Auslegung einer späteren Produktionslinie und eine techno-ökonomische Bewertung. Die assoziierten Industriepartner beraten zur industrienahen Umsetzung und liefern Know-how zu Maschinentechnik, Systemintegration und Produktionsinfrastruktur.
Konzept für einen mehrzelligen Batteriestack im bipolaren
Aufbau für die Umsetzung der Natrium-IonenBatteriezellentwicklung auf Basis von trockenbeschichteten
Elektroden.
Ergebnisse
Das Projekt »PRONTO« demonstriert skalierbare Trockenbeschichtungsverfahren zur Herstellung von Elektroden, die im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren die Trocknungskosten und den Lösungsmittelverbrauch senken. Dank Materialinnovationen hat PRONTO Hartkohlen mit spezifischen Kapazitäten von über 300 mAh/g sowie nachhaltige Schicht-Oxid-Kathoden mit Anfangskapazitäten von über 180 mAh/g entwickelt. Optimierte Elektrodenstrukturen ermöglichen hohe Aktivmaterialgehalte und dicke Elektroden von bis zu 900 µm, wodurch in Prototyp-Pouch-Zellen Flächenkapazitäten von bis zu 10 mAh/cm² und Energiedichten von über 130 Wh/kg erreicht werden.
Die Modellierungsarbeiten der Universität Stuttgart unterstützten die iterative Auslegung der Elektroden, wobei der Schwerpunkt auf Porosität, Schichtdicke und Partikelgröße sowie auf Betriebsparametern liegt. Fortschrittliche Trockenbeschichtungs- und Granulierungsverfahren ermöglichen eine skalierbare, PFAS-freie Elektrodenproduktion mit einem Materialkostenpotenzial von deutlich unter 50€/kWh, das durch weitere Optimierung potenziell auf 20€/kWh gesenkt werden kann. Die entwickelte Zellenarchitektur ist modular und recycelbar und unterstützt damit die zukünftige industrielle Produktion sowie die Kreislaufwirtschaft.
Die Wirksamkeit dieser Materialien und Verfahren wurde sowohl in kleinen Testzellen als auch in großformatigen Prototypen nachgewiesen. In Zyklustests wurde eine wettbewerbsfähige Kapazitätserhaltung erreicht, und einige fortschrittliche aktive Materialien weisen selbst nach Tausenden von Zyklen noch eine Erhaltung von über 80 % auf. Darüber hinaus wurden ein Konzept für eine Produktionslinie sowie eine technisch-wirtschaftliche Bewertung entwickelt. Machbarkeitsstudien mit Industriepartnern ebnen den Weg für die Produktion von Natrium-Ionen-Batterien in Baden-Württemberg.
Förderung
Das Projekt »PRONTO« wird vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg gefördert.
