AiF-FV-Nummer 23177

Entwicklung von Raumtemperatur-Natrium-Schwefel-Batterien auf Basis von Polyacrylnitril-Schwefel-Kathoden Entwicklung von Raumtemperatur-Natrium-Schwefel-Batterien auf Basis von Polyacrylnitril-Schwefel-Kathoden

Status & Laufzeit

Ausstehend

Forschungsstellen

  • Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West e.V.
    Adlerstr. 1, 47798 Krefeld
    http://www.dtnw.de

  • fem Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie
    Katharinenstr. 17, 73525 Schwäbisch Gmünd
    http://www.fem-online.de

Zusammenfassung

Wegen Ressourcenverknappung und der damit verbundenen Preissteigerung von Lithium, Nickel oder Cobalt wird an Alternativen für Lithium-Ionen-Batterien (LIB) geforscht. Aussichtsreiche Kandidaten dafür sind Raumtemperatur-Natrium-Schwefel-Batterien (RT-NSB). RT-NSB haben eine theoretisch dreimal höhere Energiedichte als LIB, außerdem kommt Natrium ca. 440 mal häufiger (Erdkruste) als Lithium vor. So können die Kosten pro kWh bei der NSB um mindestens 25% gesenkt werden. Die geringe elektrische Leitfähigkeit des Kathodenmaterials, damit verbundene geringe Hochstromfähigkeit, Volumenänderungen der Kathode im Zellbetrieb sowie Ausschwemmung des Aktivmaterials aus der Kathode und die dadurch verursachte Alterung verhinderten bisher die Kommerzialisierung von RT-NSB. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung innovativer, kostengünstiger und nachhaltiger Elektrodenmaterialien für eine neue Generation von RT-NSB. In der Kathode soll statt Schwefel (S8) schwefelmodifiziertes Polyacrylnitril (SPAN) verwendet werden, das durch Umsetzung von PAN mit S8 hergestellt wird. S8 ist kovalent an das konjugierte π-Elektronen-System (Leiterpolymer) gebunden, das der Ausschwemmung des Aktivmaterials entgegengewirkt und die elektrische Leitfähigkeit des Aktivmaterials erhöht. Um eine möglichst hohe Kapazität zu erzielen, muss der Schwefelgehalt im SPAN hoch sein. Hierfür wird das Edukt PAN gezielt angepasst. Um die spezifische Kapazität noch weiter zu erhöhen, werden maßgeschneiderte Metallanoden durch die galvanische Abscheidung von dünnen Na-Filmen auf 2D/3D-Stromabnehmern hergestellt. Per elektrochemischer Charakterisierung erfolgt eine Bewertung der Materialien in RT-NSB. Von den vorwettbewerblichen Forschungsergebnissen können KMU in vielfältigen Bereichen profitieren. Von der PAN sowie SPAN-Synthese, Elektrolyt und Elektrodenherstellung bis hin zur Anwendung in Batteriezellen können wichtige Erkenntnisse für KMU gewonnen werden, um neue Produkte zu entwickeln.