Neue Natrium-Festkörperbatterie Die Energiespeicherung muss sicherer werden

Lithium-Ionen-Batterien haben Nachteile. Der größte Nachteil ist vielleicht das Risiko von Kurzschlüssen in der Batterie. Eine sicherere Alternative könnten Natrium-Festkörperbatterien sein.

Die Nachfrage nach Batterien für den Einsatz in Elektroautos oder zur Speicherung erneuerbarer Energien wächst. Allerdings sind Lithiumionen-Batterien noch immer relativ teuer und können ein Sicherheitsrisiko darstellen.

Nun haben Forscher der Empa und der Universität Genf (UNIGE) einen Prototypen einer Festkörperbatterie entwickelt. Damit soll sich mehr Energie speichern lassen und ein hohes Sicherheits- bzw. Zuverlässigkeitsniveau gewährleistet werden können.

Die neue Batterie basiert auf Natrium, einer kostengünstigeren Alternative zu Lithium. Die Verwendung eines Festkörperelektrolyten kann Dendritenbildung unterdrücken, und damit das Risiko von Kurzschlüssen in der Batterie. Dies gestattet den Einsatz metallischer Anoden, was wiederum zu höheren Energiedichten führt.

Ein nicht brennbarer Akku

»Wir benötigten jedoch noch einen geeigneten festen Ionenleiter, der chemisch sowie thermisch stabil und nicht toxisch ist. Er sollte außerdem den Transport des Natriums von der Anode zur Kathode ermöglichen«, erklärt Hans Hagemann, Professor am Departement für physikalische Chemie der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE.

Die Forscher entdeckten, dass der borhaltigen Stoff closo-Boran den Natrium-Ionen erlaubt, relativ frei zu zirkulieren. Der Stoff closo-Boran ist ein anorganischer Elektrolyt, der im Vergleich zu den flüssigen Elektrolyten in Lithiumionen-Batterien nicht brennbar ist – ein Material mit vielversprechenden Eigenschaften also.

Eine Schwierigkeit bestand darin, einen engen Kontakt zwischen den Komponenten herzustellen: zwischen der Anode aus festem metallischem Natrium, der Kathode aus Natriumchromoxid sowie dem Elektrolyten, dem closo-Boran.

Dazu lösten die Wissenschaftler einen Teil des festen Elektrolyten in einem Lösungsmittel und fügten das Kathodenmaterial hinzu. Sobald das Lösungsmittel verdampft war, schichteten sie das kompakte Pulver mit dem Elektrolyten sowie der Anode auf und pressten die einzelnen Schichten zu einer festen Batterie zusammen.

Im Anschluss wurde die Batterie getestet: Die elektrochemische Stabilität des eingesetzten Elektrolyts hält einer Spannung von 3 V stand. Viele bisher untersuchte feste Elektrolyte werden bei diesem Wert bereits zersetzt.

Die Wissenschaftler führten 250 Lade- und Entladezyklen an dem Akku durch, mit dem Ergebnis, dass danach noch 85 % der Energiekapazität verfügbar waren. Für eine marktfähige Batterie müssten es allerdings 1200 Zyklen sein. Zudem müsste der Batterietest bei Umgebungstemperaturen erfolgen. Auch wollen die Forscher die Spannung weiter erhöhen. Die Arbeit ist also längst noch nicht abgeschlossen.

Das Projekt wird vom Schweizer Nationalfonds (SNF) und vom SCCER Heat & Eletricity Storage (SSCER-HaE) unterstützt.