Natrium-Manganoxid – IBUvolt® NMO
Kathodenmaterial in Natrium-Ionen-Batterien
IBUvolt® NMO ist ein neu entwickeltes Kathodenmaterial für den Einsatz in modernen Batterien. Aufgrund der ungefährlichen und ungiftigen Inhaltsstoffe gilt NMO (Natrium-Manganoxid, NaxMnO2) als besonders sicheres Batteriematerial und kommt bereits in der Elektromobilität und bei stationären Energiespeichern zum Einsatz.
Seit über 10 Jahren sind wir in der Kathodenherstellung für Lithium-Ionen Batterien tätig. Die umfassende Erfahrung in der Produkt- und Prozessentwicklung in Kombination mit dem Know-how der thermischen Verfahrenstechnik haben wir nun genutzt, um ein Kathodenmaterial für Natrium-Ionen Batterien zu entwickeln. Das Natrium-Mangan Schichtoxid IBUvolt® NMO stellt den Anfang dieser Entwicklung dar und bietet durch seine hohe Reinheit und den industriell kontinuierlichen Herstellungsprozess ein ready-to-use Kathodenmaterial.
Gut verfügbare und kostengünstige Rohstoffe
Verzicht auf kritische Elemente wie Lithium, Cobalt und Nickel
Hohe Zyklenstabilität
Skalierbarer, kontinuierlicher Produktionsprozess: Effiziente Synthese mit weniger Neben- und Abfallprodukten, energieeffizienter Produktionsprozess
Phasenreines Material
Natrium Manganoxid mit hoher Phasenreinheit für gute Performance und Zyklenstabilität
Unser Herstellungsprozess gewährleitet homogene Partikelgrößen im 1-stelligen µm Bereich. Der patentierte Prozess im Pulsationsreaktor liefert eine homogene Elementverteilung auf atomarer Ebene für eine optimale Phasenbildung und höhere Stabilität während der Lade- und Entladevorgänge.
| Eigenschaft | Messwert |
|---|---|
| Partikelgröße D10 [µm] | 1 |
| Partikelgröße D50 [µm] | 3 |
| Partikelgröße D90 [µm] | 11 |
| Spezifische Oberfläche [m²/g] | 1 |
| Schüttdichte [g/cm³] | 1 - 1,4 |
| Spezifische Kapazität C/10 [mAh/g] | 150 |
Natrium-Manganoxid – Produktion und Prozessbeschreibung
Wir beschäftigen uns seit längerer Zeit mit der Entwicklung und Optimierung von NMO vom Labor- in den industriellen Maßstab, gefördert durch das BMBF (03XP0404A). Für die Herstellung werden die Kompetenzen des Unternehmens in der thermischen Verfahrenstechnik genutzt und es wurde ein zweistufiger Prozess entwickelt, in dem zunächst die Kathodenvorläuferverbindung im Pulsationsreaktor hergestellt und anschließend im Drehrohrofen veredelt wird. Damit ist das Verfahren nicht nur einzigartig, sondern auch noch vergleichsweise energieschonend.
Natrium-Ionen Batterien (NIB)
Die momentan am häufigsten eingesetzte elektrochemische Energiespeicher-Technologie für stationäre, portable und automobile Anwendungen ist die Lithium-Ionen-Batterie (LIB). Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Lithium führt der hohe Bedarf jedoch zu Herausforderungen und Risiken. Zusätzlich kommt es vermehrt zu Versorgungsrisiken durch (geo-)politische Ursachen. Die aktuell intensiv erforschte Natrium-Ionen Technologie bietet eine zukünftige Alternative zur LIB.
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Kathodenmaterialien für Natrium-Ionen Batterien
Derzeit werden im Ausblick auf eine mögliche Kommerzialisierung von NIBs drei verschiedene Arten von Aktivmaterialien für die Verwendung in Kathoden erwogen: Metalloxide mit Schichtstrukturen, polyanionische Strukturen und Preußenblau-Analoga (PBA).
Natrium-Schichtoxide
Natrium-Schichtoxide stellen eine Klasse der Kathodenmaterialien für Natrium-Ionen Batterien dar. Auf die Materialeigenschaften kann durch die Auswahl der Übergangsmetalle und des Natriumgehalts Einfluss genommen werden. Zudem kann durch die Kombination verschiedener Metalle eine gute Balance der strukturellen und elektrochemischen Elektrodeneigenschaften erreicht werden.
Vor- und Nachteile von Natrium-Ionen-Batterien
Natrium-Schichtoxide bieten im Vergleich zu den Lithium-Analoga eine größere chemische Vielfalt aufgrund der strukturellen Unterschiede. Während bei Lithium-Schichtoxiden ausschließlich die kritischen und kostenintensiven Metalle Cobalt und Nickel möglich sind, können beim Natrium weniger kritische Elemente wie Titan und Eisen eingesetzt werden. Zusätzlich bietet die bessere globale Verfügbarkeit von Natrium einen deutlichen Kostenvorteil. Weitere Kosteneinsparungen ergeben sich durch die Möglichkeit der Verwendung von Aluminium als Stromsammler für beide Elektroden. Die Kombination der Einsparmöglichkeiten bieten perspektivisch einen Preisvorteil von ca. 16% gegenüber heutigen LFP-Zellen. In der Anwendung haben NIBs den Vorteil, dass sie sich bei tieferen Temperaturen Laden und Entladen lassen. Dadurch ergeben sich Kostenvorteile, da weitgehend auf Heizungs- und Kühlsysteme auf Modul- und Systemebene verzichtet werden kann. Des Weiteren können höhere Entladeraten im kontinuierlichen Betrieb realisiert werden. Aufgrund der Möglichkeit, Na-Ionen Batterien im tiefenentladenen Zustand (0V) zu transportieren, ergeben sich Vorteile in der Handhabung sowie den Transportkosten, da eine Gefahrguteinstufung entfällt. Im Bereich der Zellfertigung ist eine „Drop-In“ Lösung möglich, was zu einer hohen Marktdurchdringung für EES und „low-cost“ Mobilitätslösungen führen kann. Bestehende Produktionsanlagen von LIBs können für NIBs genutzt werden, wodurch die produktionsseitige Implementierung ohne immense Zusatzkosten zügig möglich ist.
Ein Nachteil ist die aktuell vergleichsweise geringe Lebensdauer aufgrund der starken Strukturänderungen beim Laden und Entladen. Der bedeutendste Nachteil gegenüber LIBs ist jedoch die geringere Energiedichte, durch die Größe und das höhere Gewicht der Natriumionen. Aufgrund der intrinsischen gravimetrischen Energiedichte eignen sich NIBs im Elektromobilitätssektor insbesondere für den Einsatz für kurze Strecken, häufiges Laden oder stationäre Speicher.
