Entwicklung und Charakterisierung einer Natrium-Festkörperbatterie im Pouchzellenformat

Die Energiewende erfordert die Verfügbarkeit von kostengünstigeren und sicheren Batteriezellen zur Energiespeicherung. Eine Alternative zu klassischen Li-Ionen-Batterien sind Natrium-Ionen-Batterien mit Festelektrolyt. Der Rohstoff Natrium ist besser verfügbar und somit günstiger als Lithium. Die Verwendung eines Festelektrolyten sorgt für eine erhöhte Sicherheit der Zelle, da auf leichtentzündliche, flüssige Lösemittel verzichtet werden kann. In dieser Masterarbeit werden Na-Festelektrolytzellen im Pouchformat hergestellt und elektrochemisch charakterisiert. Dazu wird zunächst die Funktion der Pouchzelle mittels Zyklisierung, Dichtigkeitstest und Innenwiderstandsbestimmung an einer konventionellen und bereits etablierten Zellchemie (NMC||Graphit) überprüft. Anschließend wird eigens synthetisiertes Kathodenmaterial (NVP) für Na-Zellen elektrochemisch charakterisiert. Durch Kalandrieren sowie durch Zugabe von FEC eine potenzielle Verbesserung der spezifischen Kapazität untersucht. Zusätzlich wird die Kathodenzusammensetzung aus NVP und Festelektrolyt variiert und mit einem C-Raten-Test die Performanteste ausgewählt. Die damit gefertigten Pouchzellen werden bei unterschiedlichen Temperaturen zyklisiert und die Ergebnisse ausgewertet. Die gefertigten Pouchzellen zeigten durchweg eine gute Kapazität so wie Zyklenstabilität. Die Pouchzellfertigung ist komplexer als die Fertigung der Laborzellen, was sich in geringerer Kapazität als theoretisch möglich zeigt. Jedoch können dichte Zellen mit geringem Innenwiderstand gefertigt werden. Die NVP-Zellen erreichen bei den durchgeführten Untersuchungen geringere spezifische Kapazitäten als die theoretische errechnete Kapazität. Durch Kalandrieren der Kathode und Zugabe von
FEC zum Flüssigelektrolyt, ließ sich die spezifische Kapazität drastisch erhöhen. Bei Festelektrolytzellen konnte die spezifische Kapazität ebenfalls durch Kalandrieren der Kathode erhöht werden. Beim Test verschiedener Kathodenzusammensetzung erreicht die Kathode mit 50 % NVP-Anteil die höchste spezifische Kapazität. Die Pouchzellen mit der Kathode mit 50 % NVP-Anteil wurden bei 80 °C und bei 60 °C zyklisiert. Die spezifische Kapazität der Zellen, welche bei höherer Temperatur zyklisiert wurden, war deutlich höher als die Kapazität der Zellen, die bei 60 °C zyklisiert wurden.

Zusammenfassend liefert die Herstellung und elektrochemische Charakterisierung der Pouchzellen vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich Kapazität und Zyklenstabilität. Die Ergebnisse tragen zur Weiterentwicklung der Festelektrolytzellen bei.