Synergetische Anwendung der technischen Konzepte für elektronische Struktur und Mikrostruktur zur Entwicklung kobaltfreier Hochspannungskathoden für Na-Ionen-Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Ehrenfried Zschech
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504885810

Der Markt der Li-Ionen-Batterien ist derzeit der am dynamischsten wachsende im Bereich der elektrischen Energiespeicherung. Da die Ressourcen an Lithium und Kobalt begrenzt sind, sind Co-freie und Li-freie Na-Ionen-Batterien potenzielle Kandidaten für wiederaufladbare Batterien der nächsten Generation. Das SynBat-Projekt verfolgt den unikalen Ansatz „Engineering von elektronsicher und Mikrostruktur“ bei der Entwicklung von Hochspannungs-Na2M2(SO4)3 (M = Fe, Mn, Ni…) Kathodenmaterial für Na-Ionen-Batterien. Es gibt nur wenige Veröffentlichungen zur Synthese von Na2Fe2(SO4)3. Die polnische PI-Gruppe schlug eine grüne Methode zur Synthese von Na2M2(SO4)3 mit deutlich reduziertem Verunreinigungsgehalt (3 Gew.-%) und einem hohen Fe3+/Fe2+-Redoxpotential von 3.7 V vs. Na+/Na vor. Ein derart hohes Potenzial in Kombination mit einer großen Kapazität für die Natriuminterkalation führt zu einer hohen theoretischen Energiedichte von 456 Wh kg-1. Diese Eigenschaften ermöglichen das Design von Na-Ionen-Batterien, die mit Li-Ionen-Batterien konkurrenzfähig sind. Um dieses Ziel zu erreichen, muss der intrinsische Nachteil dieses Materials, nämlich eine geringe elektrische Leitfähigkeit, die die von der Zelle erzeugte Stromdichte begrenzt, überwunden werden. Aufgrund der entscheidenden Rolle des Kathodenmaterials in Na-Ionen-Batterien werden wir uns auf eine umfassende interdisziplinäre Forschung in Chemie, Physik und Festkörperelektrochemie sowie auf die DFT-Computermodellierung von Na2M2(SO4)3 (M=Fe, Mn, Ni… ) System konzentrieren. Wir beabsichtigen, die chemische Zusammensetzung, das Syntheseverfahren, die Struktur- und Transporteigenschaften sowie die Morphologie des nanoskaligen Na2M2(SO4)3/Kohlenstoff-Komposit-Kathodenmaterials zu optimieren und die elektrochemischen Prozesse zu kontrollieren. Das Verständnis der Beziehungen zwischen Kristall- und elektronischer Struktur, Valenzzuständen, Transporteigenschaften und Reaktivität in Bezug auf Natrium wird ein unschätzbares Werkzeug für die Gestaltung einer hohen Effizienz des Natrium-Interkalationsprozesses und folglich einer hohen Batterieleistung und -zuverlässigkeit darstellen. Die Morphologie der Materialien ist ein entscheidender Faktor beim Design leistungsstarker elektrochemischer Systeme. Eine maßgeschneiderte 3D-Mikrostrukturentwicklung der Kathode erfordert eine quantitative Bestimmung von 3D-Parametern wie Permeabilität, Tortuosität (Interkonnektivität der Poren) und fluiddynamischem Verhalten, die wesentliche Parameter für Batterien sind und die optimiert werden müssen. Ein neu entwickeltes, unikales Transmissions-Röntgenmikroskop für einen weiten Bereich von Photonenenergien (deepXscan DXS 1) in Kombination mit einer Kammer für elektrochemische Prozesse wird eine zerstörungsfreie hochauflösende Abbildung kinetischer Prozesse (operando) ermöglichen, um die Batterieleistung mit der Mikrostruktur von Verbundkathodenmaterialien zu korrelieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Janina Molenda