CORNERSTONE – Enhancing the Performance of Prussian Blue Analog Cathodes for Safer and More Sustainable Na-Ion Batteries

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502986

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das vom Paul Scherrer Institut geleitete Projekt CORNERSTONE hat zum Ziel, sicherere und nachhaltigere Natrium-Ionen-Batterien zu entwickeln, indem die Leistung von Preußischblau-Analoga (PBAs) – einer vielversprechenden Klasse von Kathodenmaterialien – verbessert wird. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, die auf seltene und teure Elemente wie Lithium, Kobalt und Nickel angewiesen sind, werden PBAs aus reichlich vorhandenen, ungiftigen Materialien hergestellt und können mit energiesparenden, wasserbasierten Verfahren synthetisiert werden. Das Projekt verfolgt einen hypothesengestützten Ansatz zum Defekt-Engineering, um Kristallfehler, Wassergehalt und Natriumgehalt in PBAs zu kontrollieren. Diese Strategie soll die Batterieleistung verbessern, die Lebensdauer verlängern und die Gasentwicklung – insbesondere von giftigen Gasen wie Cyanogen – während des Betriebs reduzieren. Zu den wichtigsten Zielen gehören das Erreichen einer hohen spezifischen Ladung (≥140 mAh/g), die Aufrechterhaltung der Kapazität bei niedrigen Temperaturen (-20 °C) und die Reduzierung der Gasfreisetzung um mindestens 20 % im Vergleich zu handelsüblichen PBAs. CORNERSTONE kombiniert fortschrittliche Materialsynthese, Operando-Diagnostik und skalierbare Produktionsmethoden, um die Energieziele und Nachhaltigkeitsziele der Schweiz zu unterstützen. Das Projekt legt auch den Grundstein für industrielle Zusammenarbeit, die Entwicklung von geistigem Eigentum und die zukünftige Kommerzialisierung von Natrium-Ionen-Batterietechnologien.

 

Kurzbeschreibung (Englisch)

The CORNERSTONE project, led by the Paul Scherrer Institute, aims to develop safer and more sus-tainable sodium-ion batteries by improving the performance of Prussian Blue Analogues (PBAs) - a promising class of cathode materials. Unlike lithium-ion batteries, which rely on scarce and expensive elements like lithium, cobalt, and nickel, PBAs are made from abundant, non-toxic materials and can be synthesized using low-energy, water-based methods. The project introduces a hypothesis-driven defect engineering approach to control crystal defects, water content, and sodium levels in PBAs. This strategy is designed to enhance battery performance, extend lifespan, and reduce gas evolution - especially toxic gases like cyanogen - during operation. Key goals include achieving high specific charge (≥140 mAh/g), maintaining capacity at low tempera-tures (-20°C), and reducing gas release by at least 20% compared to commercial PBAs. CORNERSTONE combines advanced material synthesis, operando diagnostics, and scalable produc-tion methods to support Switzerland’s energy transition and sustainability goals. The project also lays the groundwork for industrial collaboration, intellectual property development, and future commerciali-zation of sodium-ion battery technologies.

 

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le projet CORNERSTONE, mené par l'Institut Paul Scherrer, vise à développer des batteries au sodiumion plus sûres et plus durables en améliorant les performances des analogues du bleu de Prusse (PBA), une catégorie prometteuse de matériaux cathodiques. Contrairement aux batteries lithiumion, qui reposent sur des éléments rares et coûteux tels que le lithium, le cobalt et le nickel, les PBA sont fabriqués à partir de matériaux abondants et non toxiques et peuvent être synthétisés à l'aide de méthodes à faible consommation d'énergie et à base d'eau. Le projet introduit une approche d'ingénierie des défauts fondée sur des hypothèses afin de contrôler les défauts cristallins, la teneur en eau et les niveaux de sodium dans les PBA. Cette stratégie est conçue pour améliorer les performances des batteries, prolonger leur durée de vie et réduire le dégagement de gaz, en particulier les gaz toxiques comme le cyanogène, pendant leur fonctionnement. Les principaux objectifs sont d'atteindre une charge spécifique élevée (≥140 mAh/g), de maintenir la capacité à basse température (-20 °C) et de réduire le dégagement de gaz d'au moins 20 % par rapport aux PBA commerciales. CORNERSTONE combine la synthèse de matériaux avancés, le diagnostic operando et des méthodes de production évolutives pour soutenir la transition énergétique et les objectifs de durabilité de la Suisse. Le projet jette également les bases d'une collaboration industrielle, du développement de la propriété intellectuelle et de la commercialisation future des technologies de batteries sodium-ion.