Ultradünne keramische Elektrolytsubstrate für Natrium-Festkörperbatterien

In Festkörperbatterien ersetzt ein ionenleitender Feststoff (Fest­elektrolyt) den flüssigen Separator konventioneller Batterien. Durch den Verzicht auf brennbare und umweltschädigende Flüssigkomponenten werden Leckage- und Brandunfälle ver­mieden. Darüber hinaus kann die Energiedichte der Zelle erheb­lich gesteigert werden, wenn der Festelektrolyt mit metallischen Alkalimetallanoden kombiniert wird. Obwohl der momentane Schwerpunkt der Forschung auf Lithium-Ionen-Batterien liegt, gewinnen Natrium-basierte Zellkonzepte durch die weltweite Ressourcenknappheit von Lithium zunehmend an Interesse. Am Fraunhofer IKTS werden seit 15 Jahren keramische Fest­elektrolytkonzepte erforscht und in Festkörperbatterien demonstriert. Ein Ziel dieser Entwicklungen ist es, geeignete Ionenleiter (ultra)dünn herzustellen, um den Materialeinsatz zu reduzieren sowie höhere Leistungsdichten und geringere Widerstände zu ermöglichen. Eine Schlüsseltechnologie ist hierbei das Foliengießen verschiedener keramischer Festelektrolyte, wie etwa Na₅RSi₄O₁₂ (NaRSiO) oder Na_3,4Zr₂Si_2,4P_0,6O₁₂ (NASICON). Diese Materialien werden am Fraunhofer IKTS kal­ziniert und mit entsprechenden Mahlverfahren zu feinen Pul­vern aufbereitet, welche dann über den Folienguss zu dünnen Grünfolien prozessiert werden. Die für Batterieanwendungen erforderliche ionische Leitfähig­keit wird konventionell durch Sinterung der Folien bei Tempera­turen von über 1300 °C erreicht. Um die Sintertemperatur von NASICON-Separatoren erheblich zu verringern, wird am Fraun­hofer IKTS der Prozess des Kaltsinterns erforscht. Durch die Zugabe von wässrigen Sinteradditiven und dem gleichzeitigen Einsatz von Temperatur und Druck, erfolgt die Sinterung von dünnen Elektrolytsubstraten bei Temperaturen unter 400 °C. Im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts »HeNa« konnten so transluzente Elektrolytsubstrate mit einer Dicke von 260 μm und einer ionischen Leitfähigkeit von 0,27 mS/cm hergestellt werden (Abb. 1).

Die starke Reduktion der Sintertemperatur beim Kaltsintern eröffnet neue Möglichkeiten zur Herstellung von Kompositelek­troden, bestehend aus Elektrolytmaterial, Aktivmaterial (z. B. NVP, Na₃V₂(PO₄)₃) und Elektronenleiter (Kohlenstoff). In einem einzigen Sinterschritt kann dann eine funktionierende Festkörperzelle, bestehend aus Elektrolytsubstrat und Kompositkathode, hergestellt werden, ohne dass die Materialien miteinander reagieren (Abb. 2). Durch Aufbringen einer Na-Metallelektrode auf der Gegenseite, wird die Vollzelle komplettiert. Diese Na-Festkörperbatterien lassen sich bereits heute bei 80 °C mit hohem Kapazitätserhalt laden und entladen (Abb. 3). Der Na-Ionen-Transport in der kaltgesinterten Kompositkathode limitiert aktuell noch die Ratenfähigkeit der Batterie und steht im Fokus aktueller Forschung am Fraunhofer IKTS.