Herstellungswege für Natrium-Festkörperbatterien (HeNa); Teilvorhaben A "Kathodenentwicklung und Zellherstellung"

Abstract

Derzeitiger Stand von Wissenschaft und Technik Festkörperbatterien auf Natriumbasis (Na-SSBs) gelten als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere durch die Nutzung von NaSICON als Festelektrolyt. Herausforderungen bestehen derzeit in der Verarbeitung und Integration geeigneter Elektrolyt- und Kathodenmaterialien sowie in der Zellassemblierung. Begründung/Zielsetzung der Untersuchung Ziel des Teilvorhabens am Fraunhofer IKTS war die Entwicklung und Herstellung leistungsfähiger Natriumfestelektrolyte sowie deren Integration in funktionsfähige Festkörperbatterien. Dafür sollten innovative Herstellungsverfahren (u.a. Kaltsintern) und neue Materialkombinationen untersucht und prozesstechnisch evaluiert werden. Methode Untersucht wurden verschiedene Ansätze zur Herstellung dünner NaSICON-Substrate, sowohl konventionell über Foliengießen als auch mittels Kaltsintern. Parallel dazu erfolgte die Synthese und Charakterisierung neuer phosphatbasierter Kathodenmaterialien (NFP, NVP) sowie deren Integration in Kompositkathoden. Für die Anode wurden Natriummetall- und Interlayer-Konzepte getestet. Die resultierenden Zellen wurden elektrochemisch charakterisiert und in modifizierten Pouchzellengehäusen verbaut. Ergebnis • Dünne, freistehende NaSICON-Folien konnten mit beiden Methoden hergestellt werden; Kaltsintern ermöglichte deutliche Temperaturreduktionen. • Kompositkathoden zeigten Schwindung und Nebenphasenbildung; Co-Sinterung war nur begrenzt erfolgreich. • Die Kontaktierung von Natriummetall auf NaSICON gelang mit geringen Grenzflächenwiderständen. • Die Zellcharakterisierung zeigte hohe Coulomb-Effizienzen, aber begrenzte Aktivierung der Kathodenkapazität. • Ein neu entwickeltes Gehäusekonzept zeigte gute Schutzwirkung und Kompatibilität mit dem Fertigungsprozess. Schlussfolgerung/Anwendungsmöglichkeiten Die Ergebnisse belegen die technische Machbarkeit natriumfester Feststoffbatterien mit NaSICON-Elektrolyten. Besonders das Kaltsintern bietet Potenzial zur energieeffizienten Herstellung. Das natriumfreie Anodenkonzept erlaubt langfristig eine Fertigung unter Luft, was Produktionskosten erheblich senken könnte. Weitere Optimierungen sind notwendig, um die Zyklisierbarkeit und Leistungsdichte zu steigern