Natrium-Ionen-Technologien

Im Foschungsthema »Natrium-Ionen-Technologien« beschäftigen wir uns mit der Herstellung und Entwicklung von Elektroden sowie Anoden- und Kathodenmaterialien für diese Form der Speichertechnologie.

Natrium-Ionen-Batterietechnologien (NIB) erfahren zunehmendes Interesse und bieten eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien (LIB), sowohl für stationäre Speicher als auch für mobile Anwendungen. Die hohe natürliche Verbreitung von Natrium selbst und der für die Aktivmaterialien verwendeten Elemente ermöglicht die Herstellung dieser Batterien aus Materialien mit guter Verfügbarkeit, niedrigen Kosten und geringer Preisvolatilität.

Da NIBs die gleiche Funktionsweise wie LIBs aufweisen („Rocking-Chair-Prinzip“), kann hier viel Wissen und Erfahrung transferiert werden. Insbesondere in den Bereichen der Aktivmaterialherstellung, der Elektrodenproduktion und der Zellassemblierung kann diese Technologie als Drop-In-Replacement genutzt werden, da sie auf ähnliche Produktionsprozesse wie LIB zurückgreift und somit ohne größere Anpassungen in bestehende Fertigungslinien integriert werden kann.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Technologien liegt in der Größe der Natrium-Ionen, welche die der Lithium-Ionen übersteigt. Dieser Größenunterschied beeinflusst u.a. die Wahl der Aktivmaterialien, die derzeit in Bezug auf die Energiedichte hinter denen von LIBs zurückbleiben.

Insgesamt bieten NIBs jedoch ein großes Potenzial und können durch weitere Forschung und Entwicklung eine nachhaltige und kostengünstige Lösung für die Energiespeicherung darstellen.

Unsere FuE-Leistungen zum Thema »Natrium-Ionen-Technologien« umfassen:

• Synthese von Hard Carbons als Anodenaktivmaterialien
• Synthese von Kathodenaktivmaterialien
• Elektrodenentwicklung für Natrium-Ionen-Batterien
• Skalierung der Elektrodenherstellung und Analyse in Pouch-Zellen

Als Aktivmaterial auf der Anodenseite wird für Natrium-Ionen-Batterien hauptsächlich Hard Carbon verwendet, welcher aus synthetischen oder biologischen Präkursoren hergestellt werden kann. Der wissenschaftliche Fokus am Fraunhofer ISE liegt auf der thermischen Behandlung von biologischen Präkursoren wie beispielsweise Sägespänen oder Kaffee. Dafür stehen Öfen in unterschiedlichen Größen zur Verfügung, welche Synthesen von bis zu 5 kg Aktivmaterial/Tag ermöglichen. Mit Hilfe des hauseigenen Charakterisierungslabors können wichtige Größen wie Morphologie, Porengröße oder BET-Oberfläche des Aktivmaterials bestimmt werden. Darüber hinaus forschen wir an Beschichtungen, welche die initialen Verluste verringern und dadurch die Kapazität erhöhen.

Für die Synthese von Kathodenaktivmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien stehen uns am Fraunhofer ISE unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung. Zum einen können die Aktivmaterialien über die Solid-State-Route hergestellt werden. Als weitere Möglichkeit steht ein Fällungsstand für Präkursoren (mit einem Gesamtvolumen von 2 L) zur Verfügung. Nach dem Mischen der Präkursoren mit einer Na-Quelle können diese in thermischen Prozessen sodiiert werden. Wir am Fraunhofer ISE forschen vorrangig an der Herstellung von Schichtoxiden, welche aus nachhaltigen und hochverfügbaren Ausgangsmaterialien hergestellt werden können. 

Für die Entwicklung und Herstellung von Elektroden für Natrium-Ionen-Batterien können wir auf umfangreiche Erfahrungen zurückgreifen. Neben der herkömmlichen Lösungsmittel-basierten Herstellung von Elektroden forschen wir am Fraunhofer ISE auch im Bereich der Trockenbeschichtung. Für die Slurry-basierte Elektrodenherstellung fokussieren wir uns auf die Verwendung von PFAS-freien Bindern sowie den Einsatz von nicht-toxischen Lösungsmitteln (z.B. Wasser). Im Bereich der Trockenbeschichtung arbeiten wir mit unterschiedlichen Prozessmethoden der Pulvervorbehandlung sowie mit verschiedenen Bindersystemen.

Nach erfolgreicher Validierung der Materialien und Elektrodenzusammensetzungen im Labormaßstab sind wir am Fraunhofer ISE in der Lage, alle Prozesse zu skalieren. Für die Aktivmaterialsynthese steht eine Infrastruktur für Synthesen von bis zu 5 kg pro Tag zur Verfügung. Anschließend können die Elektrodenrezepturen mit Hilfe einer Schlitzdüse auf dem Rolle-zu-Rolle-Beschichter getestet werden (ab Q1/2025). Die halbautomatische Pouch-Zellen-Assemblierungs-Anlage ermöglicht die Herstellung von Natrium-Ionen-basierten Pouch-Zellen von bis zu 20 Ah. Die Skalierung von Materialien und Prozessen im Pilotmaßstab kann auf diese Weise industrienah erprobt und evaluiert werden.