NaKaSub: Herstellung von Na-Interkalationselektroden durch elektrochemische Kationensubstitution

Beschreibung des Vorhabens

Die größte Herausforderung für eine nachhaltige Energieversorgung sind effiziente und dynamisch belastbare, ökologisch und ökonomisch robuste Speichertechnologien. Grundsätzlich ist die Lithiumionentechnologie für diese Anforderungen geeignet. Allerdings weisen aktuelle Studien auf diverse zukünftige Problematiken bezüglich der Verfügbarkeit und des Kostenreduktionspotentials hin. Na-Ionenbatterien gelten als vielversprechende Alternative zu den etablierten Li-Ionenbatterien und weisen diverse Vorteile auf, v.a. bezüglich Kosten und Verfügbarkeit. Der größte Nachteil im Vergleich zu Li-Ionenbatterien besteht in dem geringeren Standardpotential von Na (+ 0.3 V vs. Li/Li⁺), was dazu führt, dass Li-analoge Na-Ionenbatterien eine geringere Zellspannung und kleinere Energiedichten aufweisen. Dieses intrinsische Problem könnte prinzipiell durch die kathodenseitige Verwendung von Na-Interkalationmaterialien mit hohem Elektrodenpotential gelöst werden. Allerdings haben diverse Ansätze zur direkten Übertragung klassischer Syntheserouten aus der Li-Ionentechnologie wenig Erfolg gezeigt. Das Gesamtziel des geplanten Vorhabens besteht darin einen völlig neuartigen Weg zur Herstellung von Na-Interkalationselektroden zu beschreiten. Der Ansatz basiert auf einer elektrochemischen Kationensubstitution. Dabei wird eine einfach und kostengünstig zu synthetisierende Startverbindung, z.B. LiMn₂O₄, verwendet. Li wird elektrochemisch aus der Startverbindung entfernt und anschließend durch Na ersetzt. Die Kristallstruktur des Wirtsgitters soll dabei erhalten bleiben. Die Originalität dieses Ansatzes besteht neben der innovativen elektrochemischen Kationensubstitution, darin, dass die Prozesstechnologie zur Herstellung von Elektroden für Na-Ionenbatterien nicht neu entwickelt werden muss. Der „Trick“ erfolgt erst am Ende der Prozesskette durch den elektrochemischen Kationenaustausch.

Finanzierung

Finanziert aus Mitteln der Europäischen Union und des Freistaates Sachsen.

Projektzeitraum

01.08.2018 – 31.01.2021