NibLog – Natrium-Ionen Batterien in der Intralogistik
Prototyps einer Polyanionen-basierten Natrium-Ionen-Batterie für Flurförderfahrzeuge
Die zurzeit am weitesten verbreiteten Batteriesysteme sind Lithium-Ionen-Batterien. Sie zeichnen sich zwar durch ihre hohe Energiedichte aus, die jedoch auch zu einem hohen Gefahrenpotential durch Entflammbarkeit führt. Zudem sollten die Batterien nie vollständig entladen werden, um Schäden zu vermeiden. Ein weiteres Problem sind die beschränkten Ressourcen. Durch die steigende Nachfrage bei gleichbleibend begrenzten und lokal-verankerten Reserven wird die Suche nach Alternativen immer wichtiger.
Natrium als Alternative zur Lithium-Ressourcenknappheit
Laut Prognosen sollen bereits in ca. 28 Jahren die weltweiten Lithium-Reserven aufgebraucht sein. Natrium-Ionen-Batterien als Alternative nehmen eine Schlüsselrolle ein! Durch das gleiche Funktionsprinzip erlauben diese eine schnelle Entwicklung als sogenannte „Drop-in“ Technologie. Und mit einen bis zu 1000-fach größerem weltweiten Vorkommen im Vergleich zu Lithium können Abhängigkeiten bei den Rohstofflieferketten vermieden werden.
Das Forschungsprojekt „Natrium-Ionen Batterien zur Anwendung in der Intralogistik: von der skalierbaren Kathoden-Aktivmaterialherstellung bis zur Prototypzelle“, kurz NIBlog, setzt sich dafür das Ziel, ein im Projekt entwickeltes Prototypmodul direkt in einem Flurförderfahrzeug einzusetzen. Das Projektkonsortium besteht neben dem IBU-tec FuE-Team aus dem Frauenhofer IFAM, der E-Lyte Innovations GmbH, der Daikin Chemical Europe GmbH und der Univercell Holding GmbH.
Entwicklung entlang der Batteriematerial-Wertschöpfungskette
Das Projekt umfasst die gesamte Wertschöpfungskette der Batterieherstellung: Gestartet wird mit den Kathodenaktivmaterialien, die sich in die Kategorien der Berliner Blau Derivate (häufig eng. Prussian blue analogues (PBA, IFAM) und den polyanionischen Verbindungen (PA, IBU-tec) einordnen lassen. Für deren Prozessierbarkeit bei der Elektrodenherstellung werden geeignete Bindersysteme (Daikin) ausgewählt. Um eine hohe Zyklenstabilität mit einer langen Batterielebensdauer zu erreichen, ist dabei das Elektrolyt (E-Lyte) ausschlaggebend. Anschließend geht das Material in die Verarbeitung und Zellherstellung bei Univercell. Neben der Prototypherstellung selbst liegt der Fokus auch auf den Möglichkeiten des Aufbaus einer europäische Wertschöpfungskette. So soll eine Abhängigkeit von asiatischen Lieferketten reduziert und die lokale Industrie gestärkt werden.
Derzeitiger Projektstand und Ziele
Unsere Forschung fokussiert sich auf die Synthese und Entwicklung der Kathodenaktivmaterialien, besonders von polyanionische Verbindungen. Mit einer hohen Materialstabilität, einer hohe Zyklenstabilität und einer Zellspannung, die die Elektrolyt-Degradation vermeidet, haben polyanionische Verbindungen vielversprechende Eigenschaften für die Anwendungen in Natrium-Ionen Batterien. Die einzigartigen Struktureigenschaften der „Sodium Super conductors“ (NaSiCON) erlauben eine schnelle Natrium-Diffusion und die daraus resultierende hohe Lade- und Entladeraten der Batterie. Durch die breite Rohstoff-Matrix bietet sich zudem die Möglichkeit auf kritische bzw. gesundheitsgefährdende Elemente zu verzichten.
Unsere Wissenschaftler haben erste Polyanionische Verbindungen mittels Laborsprühturm oder der patentierten Pulsationsreaktortechnologie hergestellt und durch thermische Nachbehandlung elektrochemisch aktiviert. Auf diesem Herstellungsweg konnten bereits nahezu phasenreine Materialien generiert werden!
In Kooperation mit den Projektpartnern wurden die fertigen Aktivmaterialien dann in Natrium-Vollzellen auf ihre Eignung getestet. Als nächster Schritt ist daraufhin die Optimierung der Materialien geplant, um die elektrochemische Performance zu verbessern. Um dabei den Optimierungsaufwand gering zu halten, werden durch Creative Quantum quantenchemischen basierenden Berechnungen durchgeführt, wodurch bereits eine Vorauswahl etwa für die Dotierungen getroffen werden kann. Sind die erhaltenen experimentellen Ergebnisse damm zufriedenstellend, findet anschließend eine Skalierung der Aktivmaterialien Synthese statt, um die Projektpartner mit genügend Material für die Prozessierbarkeit und Prototypherstellung auszustatten.
