Neuartiges Zellkonzept für Natrium-basierte Mitteltemperatur-Batterien

Die Energiewende benötigt Batterien

Stationäre, elektrochemische Energiespeicher sind essenziell für die Speicherung von Überschussstrom, um eine sichere Energieversorgung zu gewährleisten. Hierfür werden kom­merziell bereits Hochtemperaturbatterien ver­wendet (»ZEBRA-Zelle«). Diese Batterien benö­tigen, im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, kein Kobalt und Lithium. Beide Elemente sind selten und deswegen teuer. Als Negativelektrode kommt metallisches Natrium zum Einsatz. Natrium ist 1000-mal häufiger in der Erdkruste zu finden als Lithium. Es ist daher preiswert und quasi unbegrenzt verfügbar. Ein weiterer, entscheidender Bestandteil ist der keramische Festelektrolyt aus Natrium-Beta-Aluminat. Die ZEBRA-Zellen wurden vom Fraunhofer IKTS bereits erfolgreich weiterentwickelt und wer­den aktuell kommerzialisiert.

Natrium-Beta Aluminat – das Herz der Batterie

Das Fraunhofer IKTS hat Werkstoffe und Ver­fahren zur Herstellung von Natrium-Beta-Alu­minat mit hoher Phasenreinheit und Dichte entwickelt. Die Elektrolyte weisen deswegen eine hohe chemische, elektrochemische und mechanische Stabilität auf. Sie eignen sich daher hervorragend als ionenleitende Festelek­trolyten in Batterien. Im Gegensatz zu übli­chen, organischen Elektrolyten sind sie zudem ungiftig und können nicht in Brand geraten.

Übergangsmetalloxide – eine Erfolgsgeschichte

Die heutige Lithium-Ionen-Technologie basiert auf Übergangsmetalloxiden (»NMC«), die als Positivelektroden eingesetzt werden. Ihre gute Energiedichte und Kosteneffizienz machen sie enorm erfolgreich – ihre Entdecker erhielten 2019 den Chemie-Nobelpreis. Es existieren allerdings auch Natrium-basierte Lithium-Analoga, sodass diese leistungsstarken Übergangsmetalloxide auch in Natrium-basierten Zellen eingesetzt werden können.

Ein neuartiges Zellkonzept – die Kombination leistungsfähiger Zellbestandteile

Am Fraunhofer IKTS werden Natrium, Natrium-Beta-Aluminat und Übergangsmetalloxide zu einem neuartigen Zellkonzept kombiniert, das ideal für die stationäre Energiespeicherung geeignet ist.

Durch Verwendung eines speziellen Kathodenkomposits entsteht eine sichere Festkörperbat­terie mit hoher Energiedichte. Aufgrund des Einsatzes der Kompositelektrode konnte die Betriebstemperatur auf 80 °C abgesenkt wer­den. Der Elektrolyt ist zudem scheibenförmig, was vorteilhaft für die Produktion und den Modulbau ist.

Aufgrund der Phasenumwandlungen im Aktivmaterial ist die Lebenszeit der Batterie aktuell noch begrenzt. Hier wird intensiv an einer Ver­besserung gearbeitet, beispielsweise durch das Einbringen von Fremdatomen (»Dotierung«). Gleichzeitig werden dünnere Elektrolyte einge­setzt und damit der Zellwiderstand optimiert. Ziel der Entwicklung ist eine marktfähige Fest­körperbatterie, die nachhaltig und sicher ist und eine hohe spezifische Energie aufweist.