PoreKEL-NIB

Poröse, keramische Elektrolyte in Natrium-Ionen-Batterien

Teilprojekt 1

Zellentwicklung und elektrochemische Charakterisierung

Laufzeit: 01.01.2019 bis 31.12.2021

Fördersumme: 402.669,00 €

Projektvolumen: 402.669,00 €
 

ausführende Stelle:

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
Winterbergstr.  28
01277 Dresden

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Förderkennzeichen: 03XP0171A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • elektrochemische Charakterisierung von synthetisierten, porös geträgerten, keramischen Dünnschichtelektrolyten
  • Natrium-Nickelchlorid-Batterie mit porös geträgerten, keramische Dünnschichtelektrolyt


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Entwicklungsziele des Teilprojekts „Zellentwicklung und elektrochemische Charakterisierung“ lassen sich in zwei Hauptteile untergliedern.
Erstens ist die permanent begleitende elektrochemische Charakterisierung der vom Projektpartner Universität Leipzig synthetisierten, porös geträgerten, keramischen Dünnschichtelektrolyte (PKDE) notwendig, um den Erfolg der Herstellung zu kontrollieren. Hierzu fallen Arbeiten zur Elektrolytmodifizierung an: Entwicklung einer Dünnschicht-Synthese Route durch spin coating von β“-Aluminat, sowie eine Erforschung von Kohlenstoffschicht in Nano- bis Mikrometer Dicke. Des Weiteren wird für alle hergestellten und übergebenen Elektrolyte eine Leitfähigkeit ermittelt werden müssen. Dies bedingt die Anpassung (a) der Messgeormetrie oder (b) der übergebenen Proben.
Zweitens wird eine Batteriezelle für die PKDE entworfen und konstruiert. Ausgewählte porös geträgerten, keramische Dünnschichtelektrolyte (PKDE) werden anschließend zu einer Na/NiCl2-Batterie verbaut. Die Zyklierung dieser planaren Demonstratorzelle erfolgt bei verschiedenen Temperaturen zwischen 150 °C und 300 °C bei Strömen von bis zu 0,25 A/Ah. Diese Untersuchungen erlauben den proof of concept einer Na/NiCl2-Batterie, welche bei unter 175 °C betrieben wird. Dies ermöglicht eine völlig neue Art der Dichtungskonzepte für diesen Batterietyp.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die Arbeitsschwerpunkte des Teilprojekts „Zellentwicklung und elektrochemische Charakterisierung“ gliedern sich in Analyse der Natrium-Ionen-Leitfähigkeit (inkl. Aufbau eines Teststands), strukturelle post-mortem Analyse der modifizierten Elektrolyte, das Designen und die Konstruktion eines Demonstrators der porös geträgerten, keramischen Dünnschichtelektrolyte (PKDE). Somit werden die Arbeiten des Projektpartners abgerundet, indem der Festelektrolyte erst eine funktionierende Batterie (Na/NiCl2) überführt wird. Hier liegt das Augenmerk nicht zwangsläufig auf materialwissenschaftlichen Fragestellungen, sondern auf der Entwicklung der Batterien selbst und der Integration des ionenleitenden Materials. Der Demonstrator wird mittels 3D CAD in einem iterativen Designprozess entwickelt. Besondere Berücksichtigung bei der Konstruktion finden Aspekte zur thermomechanischen Spannungsverteilung (Eigenspannungen durch Fügeprozesse Metall-Keramik), dem hydrostatischen Druckaufbau (Kompression der Gase im Anoden- und Kathodenraum beim Laden bzw. Entladen) und die günstige Kontaktierung des Elektrolyten in der Zellen (Elektrodendesign). Neben den genannten Gesichtspunkten sind die Fertigung der einzelnen Bauteile sowie deren Assemblierung durch Laserschweißen zu berücksichtigen. Konstruktion und Beschaffung aller erforderlichen keramischen und metallischen Bauteile (Gehäuse, Elektroden). Zellassemblierung (Kathodenmaterial (NaCl, Ni und NaAlCl4), Befüllung unter Schutzgas sowie dem finalen Zellverschluss durch Laserschweißen.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Planare Na/NiCl2 Zellen bieten die Möglichkeit eine höhere Leistungsdichte von über 150 Wh/kg zu erreichen. Hierbei müssen Elektrolyt-Formgebung und Design bzw. CAD-Konstruktion der Zelle aufeinander abgestimmt sein. Eine weitere Steigerung der Leistungsdichte oder die Absenkung der Betriebstemperatur ist aufgrund der großen Elektrolytdicken jedoch nicht möglich. Für planare und tubuläre Zellen ist insbesondere die Herstellung der Metall-Keramik-Verbünde extrem anspruchsvoll. Im Betrieb der Batterien stellen diese Verbindungen bei > 300 °C eine „Sollbruchstelle“ dar. Durch die Verwendung poröser Elektrolyte ist die Senkung der Betriebstemperatur auf ≤ 175 °C bei gleicher Leistung möglich. Dadurch werden wesentlich vereinfachtere Zellkonzepte möglich (z.B. Verwendung von Polymeren bei dem Design von Zellen, Modulen und Systemen).


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2019 bis 31.12.2021
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 712.082,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 712.082,00 €

Teilprojekt 1: Zellentwicklung und elektrochemische Charakterisierung

Förderkennzeichen: 03XP0171A

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
01277 Dresden

Teilprojekt 2:

Förderkennzeichen: 03XP0171B

Universität Leipzig, Fakultät für Chemie und Mineralogie – Institut für Technische Chemie
04103 Leipzig

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Lithium-Ionen-Batterien eigenen sich nicht als alleinige Lösung für Energiespeicher (Verknappung, Brandlast, Preis). Natrium-Ionen-Batterien wie Na/NiCl2-Batterien (ZEBRA-Batterien) bieten ein hier großes Potential. Sie erreichen eine Energiedichte von 150 Wh/kg bei geringeren Kosten (< 150 €/kWh). Nachteile sind hohe Betriebstemperaturen (~ 350 °C) und moderate Leistungsdichten (250 W/kg). Ziel des Projektes ist die Entwicklung neuartiger Elektrolyte für eine planare Niedertemperatur-Natrium-Ionen-Batterie. Es hebt sich dadurch von Interkallations-Natrium-Ionen-Batterien ab. Durch poröse Dünnschichtelektrolyte werden die Betriebstemp. von ~ 350 °C auf unter 150 °C bei gleicher Leistungsdichte verringert. Alternativ kann die Leistungsdichte auf über 250 W/kg erhöht werden. Dies wird durch die Kombination sehr dünner keramischer Elektrolyte (Minimum des Zellwiderstands) auf porösen, keramischen Trägern erreicht. Das Herzstück ist ein poröser, keramischer Dünnschichtelektrolyt (PKDE) aus leitfähigem β"-Aluminat im µm-Bereich. Die Uni Leipzig entwirft poröse Strukturen, auf denen eine dünne Schicht des keramischen Elektrolyts (β“-Aluminat) abgeschieden wird. Es wird auf Kenntnisse in der Entwicklung und poröser Trägermaterialien (Stoffsystemen SiO2, Al2O3, uvm.) zurückgegriffen. Die beschichteten, porösen Strukturen besitzen Ionenleitfähigkeit (Elektrolyt). Sie werden durch das Fraunhofer IKTS oberflächenmodfiziert und elektrochem. charakterisiert. Die Elektrolyte werden in einer Demonstratorzelle eingesetzt. Das Fraunhofer IKTS etablierte bereits Hochtemperaturbatterien (cerenergy®). Der PKDE soll auf drei Routen erzeugt werden. 1.Sol-Gel-Verfahren, 2. Synthese von Poröser Glaskeramiken. Erzeugung von anodischem Aluminiumoxid. Auf porösen Trägern wird im Anschluss eine möglichst dünne (nm-μm), dichte Schicht aus β“-Aluminat (Sol-Gel-, Schlickerguss) abgeschieden. Im PKDE wird eine einzigartige Kombination von Leitfähigkeit (300 mΩ/cm2, 150 °C) und ausreichender Bruchfestigkeit (100 MPa) erreicht.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Innerhalb des Projektes werden gleichermaßen wissenschaftliche und anwendungstechnische Fragestellungen bearbeitet. Im Zuge der Grundlagenforschung werden bekannte Syntheserouten zur Herstellung nanoporöser Gläser und Keramiken erstmals auf das Materialsystem Li2O-Na2O-Al2O3 übertragen. Im Fokus stehen hierbei (i) die Sol-Gel-Route, (ii) die Herstellung nanoporöser Gläser (CPG) sowie (iii) durch anodische Oxidation gebildetes Aluminiumoxid (AAO) einschließlich einer Temperatur-induzierten Phasenumwandlung. Das poröse Trägermaterial aus β"-Aluminat wird in-situ oder über eine zweistufige Phasentransformation (amorphes Aluminiumoxid » α-Aluminiumoxid » β"-Aluminat) erhalten. Angestrebt ist die Entwicklung von innovativen, β“-Aluminat Elektrolytträgern mit einem offenen Porensystem, einstellbarer Tortuosität und Porengröße bei gleichzeitig enger Porenverteilung. Die Realisierung einer Technologie zur Herstellung von einer dünnen, dichten Schicht aus β“-Aluminat auf dem offenporigem aus β“-Aluminat-bestehenden Träger stellt den zweiten Forschungsschwerpunkt dar. Die Schicht soll eine Dicke im einstelligen µm-Bereich Aufweisen und dabei defektfrei sein. Risse, Löcher oder eine offene Porosität würden zu einem Kurzschluss in der Zelle führen und sind auszuschließen. Bei der Entwicklung soll prinzipiell die Abscheidung durch Sol-Gel Technologie oder eine angepasste Schlickertechnologie entwickelt werden. Der proof of concept soll durch eine planare Demonstratorzelle basierend auf der Natrium-Nickelchlorid-Zellchemie, aber bei Betriebstemperaturen von ≤ 175 °C erbracht werden. Die geringen Einsatztemperaturen ermöglichen im Vergleich zu konventionellen Hochtemperaturzellen völlig neue und wesentlich einfachere Dichtungskonzepte. So können Polymere verwendet werden, was die Fertigung und letztendlich den Betrieb der Zellen deutlich vereinfachen wird.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Der Schwerpunkt des Forschung und Entwicklungsvorhabens liegt auf der Entwicklung "zukünftiger Batteriesysteme 2.3", hier Natrium-Ionen-Batterien, bezieht aber auch die Erforschung von Material- und Prozesstechnik für sekundäre Hochenergie- und Hochleistungs-Batteriesysteme z. B für stationäre Energiespeicher mit ein. Es wird ein neuartiger, mehrschichtiger Separator bzw. Elektrolyt aus porösem β"-Aluminat entwickelt. Dadurch sollen konventionelle Festelektrolyte mit Dicken im mm-Bereich, resultierenden hohen Wiederständen und limitierter Leistungsdichte der entsprechenden Batteriezellen substituiert werden. Batterien mit deutlich erhöhter Leistungsdichte werden so realisierbar. Für Integration der PKDE in die Demonstratorzelle ist ein angepasstes Zelldesign, die erforderliche Prozesstechnik, angepasste Zellkomponenten sowie ggf. eine modifizierte Ni/NaCl Kathode mit Sekundär-Elektrolyt (Salzschmelze NaAlCl4) zu entwickeln. Insgesamt wird mit der geplanten Entwicklung ein Beitrag geleistet, um die konventionelle Hochtemperatur Natrium-Nickelchlorid-Batterietechnologie in Richtung höhere Leistungen und/oder intermediate Temperatur zu bringen. Die Attraktivität dieses vielversprechenden Batterietyps wird dadurch deutlich erhöht. Spätestens seit 2016 die zweite Runde des KfW-Programms Erneuerbare Energien "Speicher" begann, sind Quartierspeicher und generell stationäre Batteriespeichersysteme wesentlicher Bestandteil in der erneuerbaren Energien-Landschaft. Quartierspeicher rentieren sich bei einer momentanen Einspeisevergütung von 0,12 €/kWh nur bei möglichst günstigen Kaufpreisen. Lithium-Ionen-Batterien werden zurzeit für 800 bis 1600 € k/Wh angeboten und sind dadurch nicht wirtschaftlich darstellbar. Preise von < 400 €/kWh werden in der Literatur als Ziel genannt, um in annehmbaren Zeiträumen den return of invest zu ermöglichen. Nichtsdestotrotz steigt der Bedarf an Speichern mit zunehmendem Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland. Die eingeschränkte Verfügbarkeit und die menschenunwürdigen Abbaubedingungen von z. B. Kobalt zeigen die Notwendigkeit nach Alternativen zu Li-Ionen Batterien. Nykvist et. al. zeigte für die Preisentwicklung bis 2030 kein Erreichen der kritischen Kostengrenze von 150 €/kWh (vgl. Tesla Powerwall ~10 kWh, Energiedichte 100 Wh/kg. Natrium-Nickelchlorid-Batterien können diese Energiedichte bei wesentlich niedrigerem Preis prinzipiell erreichen.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Thermal-Batterien

Anwendungsfelder

Undefiniert

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Thermal-Batterien Natrium-Nickelchlorid

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojektleiter

Herr Karl Skadell
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
Winterbergstr.  28
01277 Dresden

Telefon: +49 36601 9301-5131
E-Mail: karl.skadell@ikts.fraunhofer.de


Alternativer Kontakt

Herr Dr. Matthias Schulz
Gruppenleiter

Telefon: +49 36601 9301-2328
E-Mail: matthias.schulz@ikts.frauenhofer.de


Verbundprojektleiter

keine Angabe


Pressekontakt für Teilprojekt

Frau Katrin Schwarz
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
Hansastr. 27c
80686 München
Telefon: +49 351 2553-7720
Fax: +49 351 2554-114
zum Internetauftritt


Pressekontakt für Verbundprojekt

kein Pressekontakt