Kurzbeschreibung des Teilprojektes

• Untersuchung der chemischen Stabilität des Separators gegenüber der Iodkathode und der Natriumanode
• Untersuchung der Elektrodenkinetik verschiedener Stromableiter
• Untersuchung der chemischen Stabilität von Stromableitern und Materialien für das Zellgehäuse
• Entwurf und Bau eines Demonstrators im Bipolardesign (TRL 5)
• Zyklen- und Sicherheitstests des Demonstrators
• Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

In Kooperation mit den Partnern Forschungszentrum Jülich und Karlsruher Institut für Technologie (KIT) soll eine Natriumbatterie mit wässriger Iodkathode entwickelt werden, die bei Temperaturen knapp oberhalb des Natrium-Schmelzpunktes betrieben werden kann. Natrium und Iod bilden eine chemisch anspruchsvolle Umgebung für den Separator und die verwendeten Materialien für das Zellgehäuse. In diesem Teilprojekt liegt deshalb der Schwerpunkt auf der Bestimmung der chemischen Beständigkeit der Separatorkeramik in der Iodkathode und Evaluierung möglicher Stromableitermaterialien und des möglichen Zellgehäuses.

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2019 bis 31.12.2021
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 965.503,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: 965.503,00 €

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Eine Mitteltemperatur-Batteriesystem mit flüssiger Natrium-Anode und wässriger Iodkathode mit hoher Effizienz, Sicherheit und niedrigen Kosten soll für den Einsatz als kleiner und mittlerer stationärer Energiespeicher entwickelt werden.
Natriumbasierte Batterien werden bisher vor allem als Hochtemperatur (HT)-Batteriesystem (z.B. Natrium/Schwefel) eingesetzt. Derartige Batteriesysteme zeichnen sich aus durch eine hohe Effizienz und Lebensdauer, niedrige Kosten und eine hohe Versorgungssicherheit der Ausgangsmaterialien. Die größten Herausforderungen für einen wirtschaftlichen Einsatz resultieren jedoch aus den relativ hohen Betriebstemperaturen um 300°C, welche sowohl für die Abdichtung des Gehäuses problematisch sind als auch hohe thermische Verluste verursachen, was sich negativ auf die Energiedichte und Kosten des Systems auswirkt.
Daher sollen in diesem Projekt deutlich niedrigere Betriebstemperaturen erzielt werden, um Kostenvorteile durch eine vereinfachte Zellherstellung und -Design zu erzeugen. Erreicht werden soll dies durch die Verwendung einer kostengünstig herstellbaren Keramik als Festelektrolyt, welche eine bessere ionische Leitfähigkeit zeigt als bisherige Systeme. Zusätzliche Einsparpotenziale sollen durch die Verwirklichung des sogenannten Bipolardesigns erreicht werden, welches eine höhere Energiedichte ermöglicht und die Herstellung und Skalierbarkeit vereinfacht. Außerdem können durch die niedrigeren Betriebstemperaturen teilweise kostengünstigere Kunststoffe für das Zellgehäuse eingesetzt und die Abdichtung des Gehäuses einfacher realisiert werden.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

NaSICON-basierte (Natrium Super Ionic CONductor) keramische Materialien ersetzen aufgrund ihrer höheren chemischen Beständigkeit gegenüber wässrigen Medien das bislang übliche Na-beta‘‘-Aluminat. Flüssiges Natrium-metall bildet die Anode und wässrige hochkonzentrierte Iodid/Iodlösung wird als flüssiges Kathodenmaterial verwendet. NaSICON zeigt hohe und über 50 °C auch bessere ionische Leitfähigkeiten als Na-beta‘‘-Aluminat und ist einfacher herstellbar. Geeignete Stöchiometrien mit hoher ionischer Leitfähigkeit werden entwickelt und auf die Beständigkeit in Kontakt mit der Iodkathode untersucht und optimiert. Die Benetzung der Keramik mit Natrium soll durch verschiedene Methoden verbessert werden. Um die Benetzungseigenschaften der Keramik mit Natrium besser zu verstehen und den Einfluss der Zellgeometrie auf die elektrochemische Performance zu untersuchen, werden umfangreiche Simulationen durchgeführt.
Geeignete Stromableitermaterialien und -geometrien werden identifiziert und untersucht. Im Projekt wird ein Demonstrator im Bipolardesign entwickelt, da dies zu einem vereinfachten Aufbau, erhöhter Energiedichte und Kostenreduktion führt. Hierfür werden dünne NaSICON-Platten hergestellt. Eine besondere Herausforderung dabei ist, die Elektrodenräume gegenüber dem keramischen Separator stabil abzudichten. Um dieses zu erreichen, werden verschiedene Konzepte erprobt. Alternative Konzepte für Kathodenseite, Separator und Gehäuse werden einzeln und als Vollzellen getestet, um ein Designkonzept zu evaluieren und einen Performance Benchmark im Vergleich zu anderen Technologien zu ermöglichen. Ein erstes Upscaling von Laborzellen auf den Technikumsmaßstab ermöglicht ein besseres Benchmarking im Vergleich zu etablierten Technologien und zeigt designtechnische Verbesserungspotentiale auf. Im Projekt soll ein TRL von 5 erreicht werden.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Möglichkeit Natrium-Batteriesysteme bei mittlerer Temperatur zu betreiben dehnt den Anwendungsbereich dieser vielversprechenden Technologie weiter aus. Hochtemperatur-Natriumbatterien (v.a. Natrium/Schwefel) zeichnen sich durch eine hohe Effizienz und Lebensdauer, niedrige Kosten und hohe Versorgungssicherheit der Ausgangsmaterialien aus. Niedrigere Betriebstemperaturen senken zum einen die Herstellungskosten durch preisgünstigere Materialien und verringern die thermischen Verluste. Somit steigt die Effizienz des Batteriesystems und der Einsatz für kleinere Speichereinheiten ist wirtschaftlich. Mitteltemperatur-Natriumbatterien könnten in der Lage sein, den im Zuge des Ausbaus erneuerbarer Energien steigenden Bedarf an Energiespeichern zu bedienen. Die in diesem Teilprojekt entwickelten Simulationsmodelle leisten einen wesentlichen Beitrag zum Aufbau eines Prototyps, der für die Etablierung dieser Batterietechnologie unabdingbar ist.
Gelingt es die gesteckten Ziele zu erreichen, könnte das im Vorhaben zu entwickelnde Mittel-temperatur-Natrium/Iod-Batteriesystem für kleine (< 10 kWh) bis mittlere (Bereich 100-200 kWh) stationäre Anwendungen, beispielsweise für Solaranlagen von Privathaushalten oder Unternehmen, genutzt werden. Hierdurch könnte ein wesentlicher Beitrag zur erfolgreichen Integration erneuerbarer Energiequellen in das Stromnetz geleistet werden. Zudem besteht die Möglichkeit für deutsche Firmen, sich mit einer alternativen Technologie zur Lithium-Ionenbatterie am Markt zu positionieren. Der Erkenntnisgewinn ermöglicht nicht nur eine Verbesserung der Eigenschaften der neuartigen Batterie, sondern hat auch das Potential in der Folge auf weitere, zukünftige, Zelltechnologien angewendet werden zu können.

Galerie

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Thermal-Batterien

Anwendungsfelder

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

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

Teilprojektleiter

Herr Dr. Michael Holzapfel
Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie
Joseph-von-Fraunhofer Str.  7
76327 Pfinztal

Telefon: +49 721 4640-508
E-Mail: michael.holzapfel@ict.fraunhofer.de

Verbundprojektleiter

keine Angabe

Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Dr. Stefan Tröster
Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie
Hansastr. 27c
80686 München
Telefon: +49 721 4640-392
Fax: +49 721 4640-111
E-Mail: stefan.troester@ict.fraunhofer.de
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