Asiatische Wissenschaftler entwickeln neues Hochleistungs-Elektrodenmaterial für Natrium-Batterien

Die Anforderungen an moderne Akkumulatoren für stationäre Energiespeicher-Systeme sind eine lange Lebensdauer, geringe Kosten, hohe Sicherheit, hoher Wirkungsgrad und eine hohe Betriebspannung.

Preiswertes Natrium als Ersatz für das teure Lithium könnten die Kosten massiv senken, berichtet die Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.. In der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten chinesische und japanische Wissenschaftler über die Entwicklung einer Hochleistungs-Batteriezelle mit einer bipolaren Elektrode, die aus einem gemischten Natrium-Übergangsmetalloxid besteht und für die industrielle Anwendung außerordentlich geeignet scheint.
Als kostengünstige Alternative für Lithium-Ionen gilt Natrium, aber hier müssen noch einige Probleme überwunden werden: Das größere Natriumion destabilisiert die Elektrode durch die Volumenänderung bei den Lade-Entladevorgängen und hat außerdem ein mit dem Elektrodenmaterial schwerer verträgliches Oxidationspotenzial.

Bipolares Material dient gleichzeitig als Anode und Kathode
Die Lösung, die Haoshen Zhou und seine Kollegen am National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) und der Tohoku-Universität in Japan sowie der Nanjing-Universität in China präsentieren, ist ein bipolares Material, das gleichzeitig als Anode und Kathode in einer vollständig symmetrischen Natriumzelle dient.
Dieses bipolare Elektrodenmaterial ist ein gemischtes Titanoxid mit dem Namen P2-NNCT für "P2-Phase von Na0.66Ni0.17Co0.17Ti0.66O2". Die Ziffern geben die unterschiedlichen Anteile der Elemente Natrium, Nickel, Cobalt und Titan an. Während das Natriumion in der Struktur die bewegliche Ladung repräsentiert, dienen die Zentren Nickel und Cobalt als negative Elektrode, und das Titanoxid ist die positive Elektrode. Am wichtigsten für die genannten Sicherheits- und Leistungsaspekte ist jedoch die starre Schichtstruktur des Materials. Wie eingeklammert befinden sich die Natriumionen zwischen den Übergangsmetalloxidschichten, aber beim Lade- und Entladevorgang können sie ohne Volumenänderung entlang der Schichten frei wandern.

Längste Lebensdauer von allen Natriumzellen
Zhou bestätigt: "Als Batteriezelle angeordnet, besitzt das neue Material die bislang am höchsten gemessene durchschnittliche Betriebsspannung von 3,1 V in symmetrischen Natriumzellen und die längste Lebensdauer mit 1.000 Zyklen von sämtlichen Natriumzellen."
Mit einem Coulomb-Wirkungsgrad von nahe 99,9 % außer in den Startzyklen wäre eine solche Batterie als Energiespeicher in praktischen großtechnischen Anwendungen denkbar. Dies machen die Autoren deutlich: "Unsere optimierten symmetrischen P2-NNCT- Natriumzellen sind besser als alle anderen Natrium-Vollzellen."
Zum Original-Artikel: http://dx.doi.org/10.1002/ange.201505215

28.08.2015 | Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH

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