Jenseits der Li-Ionen Batterie: Neue, effiziente Elektrodenmaterialien für Natrium-Ionen Energiespeicherung

• Antragstellerin: Dr. Magdalena Graczyk-Zajac
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426530815

Derzeit besteht dringlicher Handlungsbedarf hinsichtlich der Entwicklung einer hocheffizienten, kostengünstigen Alternative zu den markt-dominierenden Lithium-Ionen-Batterien. Hauptherausforderung bei der Markteinführung einer neuen, günstigeren Technologie ist der Mangel an leistungsstarken Elektrodenmaterialien. Ziel des Projekts ist, neuartige, langzeitstabile und kostengünstige Elektroden für Na-Ionen-Batterien (NIB) herzustellen und zu charakterisieren. Wesentlich für die Beschreibung der elektrochemischen Leistung ist die genaue Kenntnis der lokalen Struktur – insbesondere der Lage der Na-Ionen- und der mikrostrukturellen Stabilität des Materials. Parallel dazu muss der Ionentransport zuverlässig bestimmt werden, um die Zyklenstabilität der Elektrode zu verstehen.Die in dem Projekt (BLESS) geplante systematische Untersuchung beginnt mit der Synthese neuartiger Kathoden- und Anodenmaterialien mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit und verbesserter elektrochemischer Stabilität. Als Kathode werden nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellte Na3V2(PO4)3/Kohlenstoff-Nanokompositen mit variierendem Kohlenstoffgehalt eingesetzt. Die neuartige Methode des Pickering-Emulsions-unterstützten Sol-Gel-Verfahrens ermöglicht eine ausreichend hohe Homogenität des Komposits, was zu einem verbesserten Elektronentransport über die Elektrode führt. Um die mechanische Stabilität des Anodenmaterials zu gewährleisten, wird poröses Zinn - ummantelt mit leitfähigem Kohlenstoff - in einer keramischen Matrix in-situ- eingebracht. Die Analyse der elektrischen und mikrostrukturellen Eigenschaften der Elektrodenmaterialien erfolgt anhand elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS), 23Na-Festkörper-MAS-NMR-Spektroskopie und Elektronenmikroskopie (SEM/TEM). Die Diffusion von Na im aktiven Material wird durch eine in diesem Projekt entwickelte Einzelpartikelmessung (SPM) bestimmt. Der geringe Widerstand des Kathodenmaterials wird eine Erhöhung der Zyklenstabilität von Na-basierten Zellen ermöglichen. Die Kenntnis der strukturellen Unterschiede und der Ionenmobilität des Elektrodenmaterials erlaubt einen tieferen Einblick in die elektrochemischen Prozesse und kann dadurch die Batterieleistung verbessern. Elektronenmikroskopie erlaubt Einblicke in die Struktur der Komposit-Elektrodenmaterialien und die Anordnung des Kohlenstoffs.Die Entwicklung von neuen, leistungsstarken Elektrodenmaterialien für NIB wird ein Meilenstein für die zukünftige Nutzung von Natrium-Ionen-Batterien sein.Die Kenntnisse und Erfahrungen in Materialwissenschaft und Elektrochemie sowie der Zugang zu hochspezialisierten Geräten (TEM, MAS-NMR, SPM) sind für die erfolgreiche Durchführung der geplanten Untersuchungen innerhalb von BLESS erforderlich. Die geplante Kooperation bringt enorme Vorteile für alle Partner. Die Projektziele können von keinem der Teams alleine erreichen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Partnerorganisation: Narodowe Centrum Nauki (NCN)
• Kooperationspartnerin: Dr.-Ing. Monika Wilamowska-Zawlocka
• Mitverantwortlich: Professor Ralf Riedel