Sparc Technologies Limited gab ein Update zu seinem Projekt mit der Queensland University of Technology (QUT), das auf die Entwicklung eines nachhaltig hergestellten Hartkohlenstoff-Anodenmaterials für Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) abzielt. Ein hochleistungsfähiges, kostengünstiges und nachhaltig gewonnenes Anodenmaterial für SIBs wird den Bedarf für eine wachsende alternative Batterietechnologie decken. Derzeitige Hartkohlenstoffmaterialien werden in der Regel aus kohlenstoffhaltigen Vorläufern wie Pech (einem Nebenprodukt der Öl- und Gasindustrie) gewonnen, die lange bei hohen Temperaturen erhitzt werden müssen.

Dies ist ein sehr energieaufwändiger Prozess, der in Verbindung mit der Verwendung eines aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Ausgangsmaterials eine erhebliche Umweltbelastung mit sich bringt. Da China der weltweit dominierende Lieferant von Hartkohlenstoffmaterialien ist, zielt der mit der QUT entwickelte Prozess darauf ab, eine alternative westliche Versorgung mit Anodenmaterialien zu bieten und damit das Staatsrisiko für die Hersteller von SIB-Zellen zu verringern. In Übereinstimmung mit dem Projektplan hat die QUT den ersten Projektmeilensteinbericht vorgelegt, der die Ergebnisse der SIB-Halbzellenbatterietests und der Materialcharakterisierung für ein nachhaltig beschafftes Anodenmaterial unter einer Reihe von Prozessbedingungen beschreibt.

Während weitere Optimierungs-, Test- und Prozessentwicklungsarbeiten erforderlich sind, überstieg die reversible Kapazität für eine Materialcharge unter denselben Testbedingungen 535 mAh/g und lag bei durchschnittlich 477 mAh/g in fünf separaten Versuchen. Damit wurde der zu Beginn des Forschungsprogramms festgelegte Richtwert von 330 mAh/g, der auf der Grundlage von vermutlich kommerziellen Hartkohlenstoffanodenmaterialien ermittelt wurde, um ca. 45% übertroffen. Seit Beginn des Forschungsprojekts mit der QUT im September 2022 wurden bedeutende Fortschritte erzielt.

Eine vorläufige Optimierung der Prozessbedingungen, unter denen der Hartkohlenstoff hergestellt wird, wurde durchgeführt und die ersten Ergebnisse zeigen eine erhebliche Verbesserung der reversiblen Kapazitäten der Anodenmaterialien in einem SIB im Vergleich zu herkömmlichen Pyrolyseverfahren. Die Materialcharakterisierung der Hartkohlenstoffproben mit Hilfe verschiedener Charakterisierungstechniken (XRD, XPS, Raman, TEM, SEM und BET) wurde durchgeführt und wird eine Grundlage für den Vergleich bei zukünftigen Testarbeiten bilden, wie z.B. die Erprobung alternativer Rohstoffquellen und Prozessparameter. Die Leistung der Natrium-Ionen-Batterien der Proben (in Halbzellenkonfiguration) wurde mit elektrochemischen Methoden wie galvanostatischer Lade-/Entladekapazität und Zyklenstabilität getestet.

Für jede Elektrode wurden mehrere Knopfzellen (5 Zellen für jede Hartkohlenstoffprobe) hergestellt, um die Reproduzierbarkeit der Messungen zu gewährleisten. Dabei wurden handelsübliche Massenladungen und niedrige C-Raten (0,05) verwendet. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Prüfung der Zyklenstabilität bis zu 500 Zyklen, die Erprobung von Methoden zur Verbesserung der anfänglichen coulombischen Wirkungsgrade und die Herstellung und Prüfung vollständiger Zellen konzentrieren. Sparc hat noch ca. 6 Monate Zeit für das Forschungsprogramm mit der QUT und arbeitet weiterhin mit einem erfahrenen Batterieberater an dem Projekt.

Sparc plant, das Ausmaß der Energie- und Kosteneinsparungen, die durch die vorgeschlagene Verarbeitungsmethode im Vergleich zu bestehenden Hartkohlenstoffmaterialien erzielt werden können, in den kommenden Monaten durch Lebenszyklusanalysen und wirtschaftliche Modellierung weiter zu untersuchen. SIBs sind eine vielversprechende Alternative zur Lithium-Ionen-Batteriechemie, die sich besonders für Energiespeichermärkte eignet. Zu den bekannten und dokumentierten Vorteilen von SIBs gegenüber Lithium-Ionen-Batterien gehören: Niedrigere Kosten und bessere Verfügbarkeit von Rohstoffen; Sicherheit und einfacher Transport; größerer Betriebstemperaturbereich; ähnliche Herstellungstechniken wie bei Lithium-Ionen-Batterien.

Diese Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die Verfügbarkeit und die Kosten von Rohstoffen, haben dazu geführt, dass Energieentwickler, Erstausrüster (OEMs) und Risikokapitalgeber zunehmend in SIBs investieren. Die Kommerzialisierung von SIBs für Energiespeicher- und Mobilitätsanwendungen wird für 2023 von CATL, BYD, Reliance /Faradion und HiNa Battery angestrebt. CATL hat die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Förderung und Entwicklung der SIB-Technologie festgestellt.