Natrium-Ionen-Batterien: Neues Kern-Schale-Design für Anoden steigert Leistungsfähigkeit deutlich
Natrium-Ionen-Batterien gelten als vielversprechende,
nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Hohe Speicherverluste
beim ersten Ladezyklus bremsen jedoch bisher ihre Entwicklung. Forschende
der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) haben nun ein
Design für die Anode entwickelt, das Effizienz und Speicherkapazität
deutlich erhöht.
Der irreversible Verlust an Speicherkapazität beim ersten Laden – noch
während der Herstellung der Batterie – entsteht durch eine chemische
Reaktion zwischen der Anode und dem Elektrolyten, der leitfähigen
Flüssigkeit des Akkus. Dabei zersetzen sich Elektrolyt-Moleküle an der
Anode aus hartem Kohlenstoff und dringen in dessen Poren ein. Sie besetzen
‚Leerstellen‘, die eigentlich für die Speicherung von Natrium-Ionen
vorgesehen sind. Erst wenn sich ein stabiler Schutzfilm auf der Anode
gebildet hat, kommt dieser Prozess zum Stillstand.
Der Film schützt die Anode vor weiterer Zersetzung durch den Elektrolyten,
verbraucht jedoch einen Teil der speicherbaren Energie, da er teils selbst
aus Natrium-Ionen besteht. Er bindet also jene Ladungsträger, die für den
Ladungstransport in der Batterie zuständig sind.
Neues Anodenmaterial erforderlich
Bei Lithium-Ionen-Batterien tritt dieses Problem kaum auf, weil sich auf
deren Anoden aus dichtem Graphit die Schutzschicht leichter bildet, sodass
die Effizienz des Akkus meist über 90 Prozent liegt. Natrium kann jedoch
nicht in Graphit eingelagert werden. Deshalb wird bei diesem Batterietyp
generell ein anderes Anodenmaterial benötigt und sogenannte harte
Kohlenstoffe haben sich hier als die beste Wahl erwiesen – bis auf die
erwähnten Nachteile beim ersten Ladevorgang.
Innovatives Kern-Schale-Design
Zur Lösung entwickelte das BAM-Team ein innovatives Kern-Schale-Design für
die Anode. „Wir haben erkannt, dass sich bei Natrium-Ionen-Batterien große
Speicherkapazitäten und effiziente Filmbildung nicht durch ein einzelnes
Material realisieren lassen“, erklärt Tim-Patrick Fellinger, BAM-Experte
für Energiematerialien. „Denn: Je besser sich ein Material für die
Speicherung eignet, desto verlustreicher ist die Filmbildung.“
Die Forschenden entwickelten ein Verfahren, bei dem sie einen porösen, d.
h. schwammartigen harten Kohlenstoff als Speichermaterial im Kern der
Anode mit einer hauchdünnen Schicht umhüllen, die wie ein Filter wirkt:
Sie lässt die erwünschten Natrium-Ionen passieren, hält aber störende
Elektrolyt-Moleküle fern. So bleibt die Speicherkapazität der Anode
erhalten und die Batterie kann über viele Ladezyklen hinweg ihre Leistung
behalten. Das maßgeschneiderte Material basiert auf Aktivkohle, einem
günstigen und umweltfreundlichen Material – was die Technologie auch
wirtschaftlich interessant macht. Die Ergebnisse wurden jetzt im Fachblatt
Angewandte Chemie vorgestellt.
Gleichzeitige Verbesserung von Effizienz und Speicherkapazität
Die in der Studie entwickelten Materialien erreichen bereits jetzt eine
Anfangseffizienz von 82 Prozent – ohne Beschichtung liegt sie bei 18
Prozent. Weitere Fortschritte hält das BAM-Team für wahrscheinlich. „Die
Trennung von ‚Formierung‘, so der Fachbegriff für die Filmbildung, und
Speicherung erlaubt die gleichzeitige Verbesserung von Effizienz und
Speicherkapazität durch getrennte Materialentwicklungen. Bisher wurden bei
Batterien Fortschritte hauptsächlich durch Materialinnovationen auf der
Kathodenseite erreicht. Hier sind wir den theoretischen Grenzen nahe. Bei
Anodenmaterialien hingegen ist noch völlig ungewiss, wo diese Grenzen
liegen und mit welchen innovativen Ansätzen in der Materialentwicklung –
Stichwort: Advanced Materials - sich weitere Fortschritte erzielen
lassen“, so Paul Appel aus dem Team.
Weiterentwicklung im Berlin Battery Lab
Die Weiterentwicklung des Anodenmaterials soll im Berlin Battery Lab (BBL)
erfolgen, einer Kooperation von BAM, dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der
Humboldt-Universität zu Berlin. Das Berlin Battery Lab bündelt die
Spitzenexpertise aller drei Forschungseinrichtungen im Bereich
nachhaltiger Batterietechnologien und bietet der Industrie eine
einzigartige Plattform, um Innovationen schneller in marktfähige Produkte
zu überführen.
Die Projekte „DialySorb“ und „NMR-Batt“, in deren Rahmen die neue Anode
entwickelt wurde, werden vom Bundesministerium für Forschung, Technologie
und Raumfahrt im Rahmen des Dachkonzepts Batterieforschung gefördert.
Originalpublikation:
https://onlinelibrary.wiley.co
