BAM: Neues Kern-Schale-Design für Anoden von Natrium-Ionen-Batterien
Illustration: BAM Natrium-Ionen-Batterien gelten als nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Bisher treten jedoch hohe Speicherverluste beim ersten Ladezyklus auf. Forscher:innen 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 laut den Forscher:innen durch eine chemische Reaktion zwischen der Anode und dem Elektrolyten, der leitfähigen Flüssigkeit im Akku. Dabei zersetzen sich Elektrolyt-Moleküle an der Anode, die aus sogenannten hartem Kohlenstoff besteht, und die Abbauprodukte dringen in dessen Poren ein. Diese Abbauprodukte 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 für Natrium-Ionen-Batterien 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-Ionen können sich aber nicht in Graphit einlagern. Deshalb muss man bei diesem Batterietyp ein anderes Anodenmaterial einsetzen. Harte Kohlenstoffe haben sich hier als die beste Wahl erwiesen.
Zur Lösung der Nachteile beim ersten Ladevorgang entwickelte das BAM-Team ein innovatives Kern-Schale-Design für die Anode. Die Forscher:innen entwickelten ein Verfahren, bei dem sie einen porösen, schwammartigen harten Kohlenstoff als Speichermaterial im Kern der Anode mit einer hauchdünnen Schicht umhüllen, die wie ein Filter wirkt. Diese lässt die erwünschten Natrium-Ionen passieren, hält aber 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.
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 sich weitere Fortschritte erzielen lassen“, sagt BAM-Forscher Paul Appel.
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 Eexpertise aller drei Forschungseinrichtungen im Bereich nachhaltiger Batterietechnologien und bietet der Industrie eine Plattform, um Innovationen in marktfähige Produkte zu überführen.
Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert die Projekte DialySorb und NMR-Batt, in deren Rahmen die Forscher:innen die neue Anode entwickelt haben, im Rahmen des Dachkonzepts Batterieforschung.
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