Forscher der Bundesanstalt für Materialforschung und ‑prüfung haben ein neuartiges Kern-Schale-Design für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt. Dadurch lässt sich die bislang geringe Effizienz der Technologie massiv steigern und könnte einen wichtigen Schritt hin zu nachhaltigeren und kostengünstigeren Energiespeichern bedeuten.
Ob in Smartphones, Laptops oder Elektroautos – Lithium-Ionen-Akkus dominieren weltweit den Batteriemarkt. Zusätzlich steigt mit der zunehmenden Elektrifizierung von Mobilität und Energieversorgung die Nachfrage nach leistungsfähigen Energiespeichern.
Schätzungen zufolge wird die globale Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien bis zum Jahr 2030 auf 4,2 Terawattstunden steigen. Zum Vergleich: 2021 lag sie noch bei 235 Gigawattstunden. Das entspräche einer Steigerung auf rund das 18-Fache innerhalb von weniger als zehn Jahren.
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Ihre hohe Energiedichte sowie die lange Lebensdauer machen Lithium-Ionen-Akkus bislang konkurrenzlos. Allerdings stoßen sie bei steigender Nachfrage und knapper werdenden Rohstoffen wie Lithium und Kobalt an ökologische und wirtschaftliche Grenzen.
Batteriekonzepte wie Natrium-Ionen-Akkus gelten als Alternative zwar als vielversprechend, konnten sich jedoch aufgrund geringerer Effizienz und fehlender Marktreife bisher nicht durchsetzen. Forscher der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist es nun jedoch gelungen, ein neuartiges Kern-Schale-Design für Natrium-Ionen-Batterien zu entwickeln und so die Leistung massiv zu steigern.
Können Natrium-Ionen-Batterien so den Durchbruch schaffen?
Natrium ist als Rohstoff reichlich und preiswert verfügbar und bietet damit im Vergleich zu Lithium erhebliche Kostenvorteile. So könnte außerdem eine größere Versorgungssicherheit gewährleistet werden, was insbesondere für die großflächige Energiespeicherung und die Elektrifizierung des Verkehrssektors wichtig wäre.
Natrium-Ionen-Batterien bieten außerdem Vorteile in Sachen Sicherheit und Ressourcenschutz. Doch bisher hat die Technologie unter anderem aufgrund von geringer Energiedichte es noch nicht aus ihrem Nischendasein heraus geschafft.
Forscher der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung könnten das allerdings nun ändern. Denn sie haben ein neues Kern-Schale-Design für Anoden entwickelt, das die Leistungsfähigkeit von Natrium-Ionen-Batterien deutlich steigert.
Damit haben die Forscher ein entscheidendes Problem dieser Technologie gelöst. Denn bisher kam es noch während der Herstellung der Akkus schon beim ersten Laden zu irreversiblen Verlusten der Speicherkapazität.
Diese entsteht durch eine chemische Reaktion zwischen der Anode und dem Elektrolyten, bei der sich Elektrolyt-Moleküle an der Anode aus hartem Kohlenstoff zersetzen. Durch diesen Vorgang können die Moleküle Leerstellen besetzen, die eigentlich für die Speicherung von Natrium-Ionen vorgesehen sind.
Beschichtung unterbindet Speicherverluste
Bisher konnte dieser Prozess erst unterbrochen werden, wenn sich an der Anode ein stabiler Schutzfilm aufgebaut hatte, der diese vor weiterer Zersetzung durch den Elektrolyten schützt. Doch bis dahin hatte bereits ein erheblicher Teil des aktiven Materials an Leistungsfähigkeit verloren, was die Effizienz und Lebensdauer der Batterie deutlich einschränkte.
Für die Lösung dieses Problems haben die BAM-Forscher ein neuartiges Kern-Schale-Design für die Anode entwickelt. „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.“
Für ihre Entwicklung haben die Forscher einen porösen Kohlenstoff als Speichermaterial im Kern der Anode mit einer hauchdünnen Schicht umhüllt. Dieser wirkt dann wie ein Filter und lässt die erwünschten Natrium-Ionen durch, hält aber die Elektrolyt-Moleküle ab.
Auf diese Weise wird die Speicherkapazität der Anode bewahrt, sodass die Batterie auch nach vielen Ladezyklen konstant Leistung liefern kann. Bereits jetzt liegt die Anfangseffizienz bei 82 Prozent – ohne die neuartige Beschichtung kommen Natrium-Ionen-Batterien bisher nur auf 18 Prozent.
Die Forscher gehen davon aus, das weitere Leistungssteigerungen durchaus möglich sind. Denn bei Materialinnovationen auf der Kathodenseite sei die Wissenschaft den theoretischen Grenzen bereits nahe. „Bei Anodenmaterialien hingegen ist noch völlig ungewiss, wo diese Grenzen liegen und mit welchen innovativen Ansätzen in der Materialentwicklung sich weitere Fortschritte erzielen lassen“, so BAM-Forscher Paul Appel.
Das Anodenmaterial soll nun im Berlin Battery Lab, einer Kooperation von BAM, Helmholtz-Zentrum Berlin und Humboldt-Universität zu Berlin, weiterentwickelt werden. Die Forschungseinrichtung ist spezialisiert auf nachhaltige Batterietechnologien.
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