Erforschung der Redox-Aktivität und der Grenz-flächenstabilität von Natrium-Festkörperbatterien mit Hochspannungs-Phosphatkathodenmaterial (> 4 V vs. Na+/Na) und Polymerelektrolyt (ERA SSB).

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Gennady Cherkashinin; Maider Zarrabeitia, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552238462

Die größte Herausforderung bei Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) ist die Erhöhung der Energiedichte, die immer noch niedriger ist als bei Lithium-Ionen-Batterien. Die Energiedichte wird hauptsächlich durch die Kapazität und das Betriebspotenzial der Kathodenmaterialien bestimmt, während die Langzeitstabilität hängt mit der strukturellen Stabilität der Materialien sowie den Eigenschaften der Grenzflächen zusammen. Unter den verschiedenen Kathoden weisen Materialien auf Phosphatbasis die höchste intrinsische Stabilität gegenüber Hochspannung auf, die durch die robuste Polyanionenstruktur gewährleistet wird. Während sich die spezifische Kapazität von NaFePO4-Kathoden dem theoretischen Limit nähert, kann die Energiedichte von NaMPO4-Kathoden (M=Co, Mn, Ni) durch den Ersatz von Fe durch Ni, das ein höheres Redoxpaar (~4.45 V vs. Na+/Na) aufweist, auf 690 Wh/kg erhöht werden. Die Herausforderung besteht darin, einen stetigen und starken Abfall der Entladekapazität in der Reihenfolge Co>Mn>Fe und einen vollständigen Zusammenbruch der Redoxaktivität für NaNiPO4 zu überwinden. Ziel unseres Projekts ist die Entwicklung von Festkörperbatterien mit >4 V auf Phosphatbasis durch die Entwicklung von Hochspannungskathodenmaterial(en), hochspannungsstabilen festen Polymerelektrolyten, künstlichen Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen und einer Na-freien Anode. Zu diesem Zweck ist ein grundlegendes Verständnis der Funktionalität der Batteriekomponenten, der Redoxaktivität der Hochspannungskathode(n), der Grenzflächeneigenschaften und der Stabilität der Polymerelektrolyte gegen Oxidation erforderlich, um leistungsstarke SIBs zu entwickeln. Die folgenden konkreten wissenschaftlichen Herausforderungen sollen angegangen werden: 1) Erhöhung der intrinsischen elektronischen Leitfähigkeit und Öffnung/Verbreiterung der Na+-Diffusionskanäle durch Dotierung von NaNiPO4, 2) Erforschung der intrinsischen Spannungsgrenze von Na[NixM1-x]PO4 durch Abstimmung des Materials mit einem geeigneten Dotierstoff, 3) Entwicklung eines Polymerelektrolyten mit hoher Oxidationsstabilität, 4) Stabilisierung der Grenzfläche bei hoher Betriebsspannung, insbesondere durch Grenzflächentechnik, die den Na+-Transport über die Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche erleichtert. Die NaNiMPO4-Dünnschichten (als Referenzmaterialien) und Verbundkathoden werden in verschiedenen Typen von Festkörperbatterien eingesetzt. Die Korrelation der elektrochemischen Leistung mit der Entwicklung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften und der chemischen Zusammensetzung der Grenzfläche bei verschiedenen (Ent-)Ladungszuständen wird mit Hilfe unserer einzigartigen In-situ- und Operando-Elektronenspektroskopie und strukturempfindlichen Techniken (inkl. Synchrotronmessungen) untersucht. Insgesamt wird dieses Projekt einen starken wissenschaftlichen Beitrag in Richtung nachhaltiger und gruner elektrochemische Energiespeicher leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen