Projekt DialySorb - Kohlenstoffe als Anoden in Natrium-Ionen-Batterien

24.09.2021

• Gegenstand
• Ziel
• Methodik
• Partner + Förderer

Gegenstand des Projekts ist die Entwicklung maßgeschneiderter Kohlenstoffmaterialien als negative Elektrode („Anodenmaterial“) für Natrium-Ionen-Batterien (NIBs). Ziel ist es, Batterien mit hoher Energiedichte auf Basis nachhaltiger, ressourcenschonender Materialien zu entwickeln. Da der kristalline Kohlenstoff Graphit für NIBs nicht nutzbar ist, gelten ungeordnete Kohlenstoffe als besonders aussichtsreich. Diese sind aktuell aber noch nicht effizient genug. Abhilfe schaffen soll ein maßgeschneiderter Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, der im Projekt entwickelt wird.

Bei aktuell erforschten Materialien für die negative Elektrode sind Speicherkapazität und Verlustreaktionen abhängig voneinander. Elektroden mit hoher Kapazität sind verlustreich. Elektroden, die stabil sind, haben jedoch meist geringe Kapazität. In DialySorb werden diese Eigenschaften konkreten Materialaspekten zugeordnet und diese unabhängig voneinander variiert. Neue Verbundwerkstoffe werden es ermöglichen, das ganze Potential erstmals zu beziffern und voll auszuschöpfen.

Große reversible Kapazitäten sollen mit kleinen Verlusten kombiniert werden. Unser Ansatz zielt auf eine klare räumliche Trennung von Ladungsspeicherung und Verlustreaktionen. Dies soll durch die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit Kern-Schale-Struktur herbeigeführt werden. Sowohl die Kern-, als auch die Schalenstruktur werden variiert und der resultierende Effekt beobachtet. Dies erfolgt für unterschiedliche Elektrolyte der Ionen-leitenden Batterieflüssigkeit, die in die Nebenreaktionen involviert ist.

Bei DialySorb handelt es sich um ein vom BMBF gefördertes Berliner Verbundprojekt mit der BAM als federführender Institution. Die Verbundpartner sind die Arbeitsgruppe Operando Battery Analysis am Helmholtz-Zentrum für Energie in Berlin (HZB), sowie der Lehrstuhl für Funktionsmaterialien der Technische Universität Berlin. Assoziierter industrieller Partner ist u.a. das Unternehmen Donau Carbon.

DialySorb - Molekularsiebende Kohlenstoffe als hochkapazitive und stabile Anoden in Natrium-Ionen-Batterien

In DialySorb ist die Entwicklung neuartiger, funktionaler Kohlenstoffanoden für Natrium-Ionen-Batterien (NIB) mit erhöhter Kapazität und verbesserter Reversibilität vorgesehen. NIB können mit einer ähnlichen Zellchemie betrieben werden wie etablierte Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Den geringen Einbußen in der Energiedichte steht eine verbessere Nachhaltigkeit entgegen, so dass NIB als ressourcenschonende Alternative gehandelt werden. Die Eigenschaften der Kohlenstoffanode gelten dabei aber als ein Flaschenhals der Technologie, da der Speichermechanismus sehr komplex und nicht berechenbar ist. Zudem ist es schwierig, die eigentliche Ladungsspeicherung getrennt von Nebenreaktionen zu untersuchen, was eine präzise Einordnung der Möglichkeiten der Technologie bisher verhindert. Ein Berliner Verbund aus Partnern mit sich gut ergänzenden Expertisen nimmt sich hier der offenen Fragen an. Es geht um moderne Kohlenstoffchemie, Erzeugung von Funktionsmaterialien und fortgeschrittene, prozessnahe Analyse. Neuartige Kohlenstoffanoden sollen entwickelt und mit der Funktion versehen werden, die eigentliche Speicherung von Nebenreaktionen zu trennen. Gleichzeitig sollen höhere Speicherkapazitäten erzielt werden. Die Nebenreaktionen sollen auf ein Minimum reduziert werden, was der praktischen Anwendung zugutekommen würde. Die funktionalen Kohlenstoffanoden werden mit modernen aber auch in industriellen Skalen produzierbaren Methoden hergestellt, materialwissenschaftlich charakterisiert und elektrochemisch getestet. Neben fortgeschrittenen Charakterisierungsmethoden (in situ / operando) werden auch sicherheitstechnische Aspekte berücksichtigt.

Projektleitung

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Fachbereich Gefahrgutverpackungen

Projektpartner

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
HZB - Helmholtz-Zentrum Berlin, Joint Research Group Operando battery analysis
TUB - Technische Universität Berlin, Department of Chemistry / Functional Materials

Förderung

Das Projekt DialySorb wird im Rahmen der Förderung Batterie 2020 Transfer vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert (Förderkennzeichen: 03XP0410).