Das IBU-tec F&E-Team untersucht gemeinsam mit den Projektpartnern Rauschert Heinersdorf-PressigGmbH, Fraunhofer IKTS und EL-Cell GmbH das Potenzial von Natrium-Festelektrolyt-Batterien. Der Name des Projektes: KeNaB-ART, kurz für: „Keramik-basierte Natrium-Batterie mit beta-Aluminat für Anwendungen über Raumtemperatur“. Unterstützt wird das Vorhaben vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative „Batterie 2020 Transfer“ zur Entwicklung von neuen keramischen Natrium-Batterien (03XP0404A).
Die Natrium-Batterie gilt als einer der vielversprechendsten Ansätze bei der Suche nach ökonomisch und ökologisch viablen Ansätzen als Alternative zum konventionellen Lithium. Dieser Batterietyp basiert auf einem Festelektrolyt aus einer speziellen Natrium-Ionen leitfähigen Keramik als Herzstück der Batteriezelle.
Die konzeptionierten Zellen des Projektes bestehen aus drei primären Komponenten: Dem Keramik-Festelektrolyt, einer Flüssigmetall-Anode und der Natrium-Ionen-Kathode. Technologisch ist der Aufbau als Kombination zweier herkömmlicher Batterie-Typen vorstellbar, der ZEBRA- und der Lithium-Ionen- (LIB) Batterie, wobei die Vorteile beider kombiniert werden können. Im Ergebnis steht eine geringere Brandlast gegenüber herkömmlichen Flüssigelektrolyten, also ein stark reduziertes Gefährdungspotenzial. Auch hat die metallische Natrium-Anode eine sehr hohe erreichbar Energiedichte, da auf zusätzlichen Kohlenstoff verzichtet werden kann, der in handelsüblichen Batteriezellen notwendig ist.
Ablauf der Entwicklung einer Natriumbatterie
KeNaB-ART stellt sich der technischen Herausforderung, eine marktfähige Festkörper-Batteriezelle zu entwickeln: von den Rohstoffen zum einbaufertigen Produkt, um dabei zu helfen, nachhaltigere, stabilere und sicherere Zellen mit hoher Energiedichte in Deutschland zu fertigen.
Unsere drei Partner kommen aus der Herstellung der Festelektrolytkeramik, der physikalisch-chemischen und elektrochemischen Analysen, welche die Zellen herstellt und ihre Performance testet, und dem Hersteller der Messzellsysteme. IBU-tec beteiligt sich mit der Entwicklung und Herstellung des Kathodenaktivmateriales in einer Kombination aus Prozessschritten im Drehrohrofen und unseren hauseigenen Pulsationsreaktoren.
In den initialen Stufen des Projektes wurde sich für ein Batteriesystem entscheiden und die Leistungsparameter festgelegt sowie ein konkretes Natrium-Kathodenaktivmaterial ausgewählt: Natrium-Manganoxid. Trotz eventueller Leistungsvorteile fiel die Entscheidung aktiv gegen kobalt- und nickelhaltige Materialien, aufgrund ihrer umwelt- und gesundheitsschädlichen Eigenschaften, sowie der komplizierten Ressourcenlage.
Während der Entwicklung der Elektroden- und Elektrolytmaterialien konnte ein regelmäßiger Ergebnisaustausch mit den Projektpartnern die Weiterentwicklung und Performance-Optimierung der Zellbestandteile erleichtern.
Stand des Projektes KeNaB-ART
Nach zweijähriger Projektlaufzeit haben wir nun unsere gesetzten Meilensteine erreicht: Die Entwicklung und Produktion von phasenreinem Kathodenaktivmaterial aus Natrium-Manganschichtoxid innerhalb der benötigten Spezifikationen für die gewünschte Performance. Öffentlich präsentiert werden die Ergebnisse im Herbst im Rahmen des Statusseminars Batterie 2020 Transfer.
Nächste Schritte und mögliche Einsatzgebiete der Natriumbatterie KeNaB-ART
Ziel für die nächsten Entwicklungsstufen im Projekt wird es sein, die Zyklenstabilität der Kathode zu überprüfen und weiter zu optimieren. Bei zufriedenstellenden Ergebnissen und ausreichender Performance wird sich ein Scale-up für die Produktion des Kathodenaktivmateriales anschließen, unter Beibehaltung der in den Technikums-Anlagen erreichten Eigenschaften. Anschließen würde die energetische Optimierung des Prozesses, um eventuelle Produktionskosten zu senken.
Mögliche Einsatzgebiete sehen wir in stationären Energiespeichern, die bei einer Betriebstemperatur von über 100°C auf Kühlung verzichten können, auch bei Systemen jenseits der 500 kWh.
