Partner:
Dr. Ing. Monika Wilamowska, Dr. Ing. Andrzej Nowak, Gdansk University of Technology (PL)
Dr. Grzegorz Trykowski, Nicolaus Copernicus University of Torun (PL)
Ziel des Projekts ist es, neuartige, langzeitstabile und kostengünstige Elektroden für Na-Ionen-Batterien (NIB) herzustellen und zu charakterisieren. Wesentlich für die Beschreibung der elektrochemischen Leistung ist die genaue Kenntnis der lokalen Struktur – insbesondere der Lage der Na-Ionen- und der mikrostrukturellen Stabilität des Materials. Parallel dazu muss der Ionentransport zuverlässig bestimmt werden, um die Zyklenstabilität der Elektrode zu verstehen.
Die in dem Projekt (BLESS) geplante systematische Untersuchung beginnt mit der Synthese neuartiger Kathoden- und Anodenmaterialien mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit und verbesserter elektrochemischer Stabilität. Als Kathode werden nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellte Na3V2(PO4)3/Kohlenstoff-Nanokompositen mit variierendem Kohlenstoffgehalt eingesetzt. Die neuartige Methode des Pickering-Emulsions-unterstützten Sol-Gel-Verfahrens ermöglicht eine ausreichend hohe Homogenität des Komposits, was zu einem verbesserten Elektronentransport über die Elektrode führt. Um die mechanische Stabilität des Anodenmaterials zu gewährleisten, wird poröses Zinn -ummantelt mit leitfähigem Kohlenstoff- in einer keramischen Matrix in-situ- eingebracht.
Die Analyse der elektrischen und mikrostrukturellen Eigenschaften der Elektrodenmaterialien erfolgt anhand elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS), 23Na-Festkörper-MAS-NMR-Spektroskopie und Elektronenmikroskopie (SEM/TEM). Die Diffusion von Na im aktiven Material wird durch eine in diesem Projekt entwickelte Einzelpartikelmessung (SPM) bestimmt. Der geringe Widerstand des Kathodenmaterials wird eine Erhöhung der Zyklenstabilität von Na-basierten Zellen ermöglichen. Die Kenntnis der strukturellen Unterschiede und der Ionenmobilität des Elektrodenmaterials erlaubt einen tieferen Einblick in die elektrochemischen Prozesse und kann dadurch die Batterieleistung verbessern. Elektronenmikroskopie erlaubt Einblicke in die Struktur der Komposit-Elektrodenmaterialien und die Anordnung des Kohlenstoffs.
Die Entwicklung von neuen, leistungsstarken Elektrodenmaterialien für NIB wird ein Meilenstein für die zukünftige Nutzung von Natrium-Ionen-Batterien sein.
Die Kenntnisse und Erfahrungen in Materialwissenschaft und Elektrochemie sowie der Zugang zu hochspezialisierten Geräten (TEM, MAS-NMR, SPM) sind für die erfolgreiche Durchführung der geplanten Untersuchungen innerhalb von BLESS erforderlich. Dazu nutzen wir die Expertise des deutschen Partners (TUDa) auf dem Gebiet der Materialsynthese und des Engineering von neuen Sn/C/SiOC Anodenmaterialien für NIB sowie die Erfahrung zweier polnischer Teams in den Bereichen Materialsynthese (Herstellung neuartiger Na3V2(PO4)3/C Kathode), analytische Elektrochemie/Ladungstransfercharakterisierung (GUT), der Bestimmung der Na-Ionenplätze und der Mikrostrukturstabilität (NCU)). Die geplante Kooperation bringt enorme Vorteile für alle Partner. Die Projektziele können von keinem der Teams alleine erreichen werden.
