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Billige Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus im Smart Grid: Durchbruch bei Natrium-Ionen-Akkus

Erneuerbare Energien sind nicht auf Abruf verfügbar. Hochleistungs-Akkus gelten daher als eine Lösung für intelligente Netze. Natrium-Ionen-Akkus werden dabei als billige Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus gehandelt, sind aber meist instabil. Bis jetzt!

Hochleistungsakkumulatoren dienen als stationäre Energiespeichersysteme für erneuerbare Energien. Bildquelle: © Dzianis Rakhuba/Fotolia

Hochleistungsakkumulatoren dienen als stationäre Energiespeichersysteme für erneuerbare Energien.

Das bipolare Elektrodenmaterial P2-NNCT besitzt als Batteriezelle angeordnet die bislang höchste gemessene durchschnittliche Betriebsspannung... Bildquelle: © Wiley-VCH

Das bipolare Elektrodenmaterial P2-NNCT besitzt als Batteriezelle angeordnet die bislang höchste gemessene durchschnittliche Betriebsspannung...

Die Krux bei erneuerbaren Energien wie Photovoltaik und Wind ist, dass sie nicht vorhersehbar sind und auch nicht an jedem Standort eingesetzt werden können. Eine Lösung für das vielzitierte Smart Grid – das intelligente Stromnetz – sind stationäre Energiespeichersysteme. Die Anforderungen an die Hochleistungsakkus: lange Lebensdauer, geringe Kosten, hohe Sicherheit, hoher Wirkungsgrad und eine hohe Betriebsspannung. Nach diesen Parametern fiele die Wahl auf Lithium-Ionen-Batterien, doch sind diese für die meisten Anwendungen schlicht zu teuer. Eine Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus sieht die Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. in Natrium-Ionen-Akkumulatoren. Aber diese haben einen Nachteil: Das größere Natriumion destabilisiert die Elektrode durch die Volumenänderung bei den Lade- und Entladevorgängen und hat zudem ein mit dem Elektrodenmaterial schwerer verträgliches Oxidationspotential.

In der Zeitschrift »Angewandte Chemie« [1] berichten chinesische und japanische Wissenschaftler nun über ihre Entwicklung einer Hochleistungs-Batteriezelle mit einer bipolaren Elektrode, die aus einem gemischten Natrium-Übergangsmetalloxid besteht und für industrielle Anwendungen durchaus geeignet scheint. Haoshen Zhour und seine Kollegen am National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, kurz: AIST, der Tohoku Universität in Japan sowie der Nanjing Universität in China haben ein bipolares Material entdeckt, das gleichzeitig als Anode und Kathode in einer vollständig symmetrischen Natriumzelle dient. Bei dem Elektrodenmaterial handelt es sich um ein gemischtes Titanoxid mit dem Namen P2-NNCT; diese Abkürzung steht für die etwas längere Bezeichnung »P2-Phase von Na0.66Ni0.17Co0.17Ti0.66O2«. Die Zahlen geben dabei den Anteil der Elemente Natrium, Nickel, Cobalt und Titan in der Zusammensetzung an.

...und die längste Lebensdauer aller Natriumzellen. Bildquelle: © Wiley-VCH

...und die längste Lebensdauer aller Natriumzellen.

Das Natriumion repräsentiert in der Struktur die bewegliche Ladung, die Zentren Nickel und Cobalt dienen als negative Elektrode, das Titanoxid als positive Elektrode. Am wichtigsten für die genannten Sicherheits- und Leistungsaspekte ist jedoch die starre Schichtstruktur des Materials. Die Natriumionen befinden sich wie eingeklammert zwischen den Übergangsmetalloxidschichten, aber beim Lade- und Entladevorgang können sie ohne Volumenänderung entlang der Schichten frei wandern. » 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 1000 Zyklen von sämtlichen Natriumzellen«, erklärt Zhou. Mit einem Coulomb-Wirkungsgrad von nahe 99,9 % außer in den Startzyklen wäre eine solche Batterie als Energiespeicher in praktischen großtechnischen Anwendungen denkbar.

Bei einer Sache scheinen sich die Autoren jedoch sicher: »Unsere optimierten symmetrischen P2-NNCT-Natriumzellen sind besser als alle anderen Natrium-Vollzellen!«