Schwerpunkte

Jenseits von Lithium

Neue Forschungen an Batteriechemien

24. März 2021, 14:30 Uhr   |  Ralf Higgelke


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Neuer Interkalationsmechanismus entdeckt

Obwohl Natrium in seinen chemischen Eigenschaften dem Lithium ähnelt, weist es auch Unterschiede auf, die neue Ansätze bei der Konstruktion von Natrium-Ionen-Batterien erforderlich machen. Nach wie vor erweist sich die Anode als Herausforderung. Graphit, wie er bei Lithium-Ionen-Batterien erfolgreich eingesetzt wird, funktioniert dort nicht, da die Kohlenstoff-Hexagone und der Natriumkationen zu unterschiedlich groß sind, damit sich die Ionen im Kohlenstoffgitter einlagern können (Interkalation).

Hartkarbon scheint das einzige Material zu sein, das sich tatsächlich als Anodenmaterial eignet. Denn es besitzt eine unregelmäßige Anordnung verzerrter graphitähnlicher Schichten und verfügt über eine vergleichbare Speicherfähigkeit für Natriumionen wie Graphit für Lithiumionen. Allerdings blieb bislang noch unklar, warum und wie dies geschieht.

Skoltech, SuperCap, Graphene
© Skoltech

Bild 3: (links) Speicherkapazität der neuen Natrium-Ionen-Batterie mit Hartkarbon; (rechts) die Lade-/Entlade-Kurve zeigt sowohl eine Interkalation als auch ein pseudokapazitives Verhalten.

Forscher des Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) und der Staatlichen Universität Moskau haben die Art der elektrochemischen Reaktion ermitteltet, die mit der Ladungsspeicherung im Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien verbunden ist [4]. Ihre Erkenntnisse könnten zusammen mit der vom gleichen Team entwickelten Herstellungsmethode für Anoden dazu beitragen, die Kommerzialisierung dieser Art von Batterien voranzutreiben.

»Es gab mehrere Thesen, wie Natrium in Hartkarbon eingebracht werden könnte«, sagte Oleg Drozhzhin, Projektleiter und leitender Forscher am Center for Energy Science and Technology (CEST) von Skoltech und an der Staatliche Universität Moskau. »In unserer Studie haben wir eine davon validiert und leicht erweitert. Wir fanden heraus, dass Hartkarbon ein interkalationsartiges Verhalten zeigt, um den größten Teil der Ladung zu speichern. Gleichzeitig finden auch Oberflächenprozesse statt, die mit der sogenannten Pseudokapazität verbunden sind, wie wir sie von Superkondensatoren her kennen« (Bild 3).

»Diese Arbeit ist bemerkenswert«, kommentiert Evgeny Antipov, ein Skoltech-Professor und Leiter der Abteilung Elektrochemie an der chemischen Fakultät der Staatliche Universität Moskau. »Denn sie zeigt nicht nur, wie Hartkarbon im Natrium-Ionen-System funktioniert, sondern auch, wie es sich mit einer Kapazität von über 300 mAh/g herstellen lässt – ein Wert, der mit der von Graphit in Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar ist. Und, was noch wichtiger ist – wir wissen, wie es funktioniert.«

1000 km fahren ohne Nachladen

Reichweite ist einer der Knackpunkte bei der Elektromobilität. Zwar hat sich diese im Laufe der Jahre deutlich vergrößert, weil die Leistungsfähigkeit von Li-Ionen-Batterien stetig verbessert worden ist und die Rekuperation der Bremsenergie Einzug gehalten hat. Einige der neuesten Modelle von Tesla und Nissan zum Beispiel können unter idealen Bedingungen bis zu 600 km pro Ladung zurücklegen. Experten meinen jedoch, dass es eine theoretische Grenze für die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien gibt. Folglich lässt sich ihre Reichweite nicht viel weiter steigern.

Kyoto University, Mazda Motors, Batteries
© Kyoto University

Bild 4: Forscher der Kyoto University und von Toyota arbeiten an einem neuen Typ von wiederaufladbaren Batterien auf Fluoridbasis, mit der man 1000 km ohne Aufladen fahren könnte.

Mit der neuen Fluor-Ionen-Batterie, an der die Forscher der Kyoto University und von Toyota Motor arbeiten, könnten Elektroautos mit einer einzigen Ladung 1000 km weit fahren. Bei dem unter der Leitung von Prof. Yoshiharu Uchimoto entwickelten Prototyp kommen eine Anode aus Fluor, Kupfer und Kobalt sowie eine Kathode, die hauptsächlich aus Lanthan besteht, zum Einsatz (Bild 4). Wie die Forscher bestätigten, weist dieser Prototyp eine höhere theoretische Energiedichte auf, wodurch er eine bis zu siebenmal größere Reichweite als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien haben könnte.

Die Forscher haben sich für einen Festelektrolyten anstelle der in Lithium-Ionen-Batterien üblicherweise verwendeten Flüssigelektrolyte entschieden. Ein wesentlicher Vorteil solcher Festkörperbatterien besteht darin, dass sie nicht in Brand geraten können. Infolgedessen müssen die Ingenieure keine Systeme entwickeln, die eine Überhitzung verhindern.

Doch auf dem Weg zu einer Fluor-Ionen-Batterie gilt es auch, Herausforderungen zu meistern. Die größte besteht darin, dass diese bisher nur bei erhöhten Temperaturen funktionieren, denn Fluorid leitet elektrischen Strom nur dann brauchbar, wenn der feste Elektrolyt ausreichend erwärmt ist. Dies macht Fluorid-Ionen-Batterien für viele Konsumgüteranwendungen unbrauchbar. Die erforderlichen hohen Temperaturen führen auch dazu, dass sich die Elektroden ausdehnen.

Das Team der Kyoto University und von Toyota glaubt, einen Weg gefunden zu haben, um genau das zu verhindern. Zu diesem Zweck bestehen die Elektroden aus einer Legierung aus Kobalt, Nickel und Kupfer. Das Team plant, die in der Anode verwendeten Materialien zu optimieren, um sicherzustellen, dass die Batterie ohne Kapazitätsverlust geladen und entladen werden kann.

Biomorphe Zink-Luft-Batterie

Die Anwendungen für Roboter explodieren – von Lieferdrohnen und Zustellrobotern bis hin zu Krankenpflege-Robotern und automatisierten Flurförderfahrzeugen. Auf der Mikroebene befassen sich Forscher mit sehr kleinen Schwarmrobotern, die sich selbst zu größeren Einheiten zusammenschließen können. Dort wären herkömmliche Einzelbatterien zu groß und ineffizient. Biomorphe Batterien, die wie Fettpolster verteilt in die Struktur des Roboters integriert sind, können Platz schaffen und das Gewicht reduzieren. Bislang konnten sie die Hauptbatterie jedoch nur ergänzen, nicht aber ersetzen.

»Beim Design von Robotern sind die Entwickler durch den Bedarf an Batterien eingeschränkt, die oft mehr als zwanzig Prozent des verfügbaren Platzes im Inneren eines Roboters einnehmen oder einen etwa gleich großen Anteil an dessen Gewicht ausmachen«, erklärte Nicholas Kotov, Professor für chemische Verfahrenstechnik und Materialwissenschaft an der University of Michigan, der die Forschung leitete.

Er ergänzt: »Keine andere strukturelle Batterie, über die berichtet wurde, ist in Bezug auf die Energiedichte mit aktuellen Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar. Wir haben daher unsere bisherige strukturelle Zink-Luft-Batterie durch zehn Einzelmaßnahmen verbessert und damit einzelne Parameter um den Faktor 100 verbessern können.« Die Kombination von Energiedichte und kostengünstigen Materialien bedeute, dass die Batterie bereits jetzt die Reichweite von Zustellrobotern verdoppeln könne, so Kotov.

»Dies ist jedoch nicht die Grenze. Wir schätzen, dass Roboter 72-mal mehr Kapazität im Vergleich zu einer einzelnen Lithium-Ionen-Batterie haben könnten, wenn ihre Außenhülle durch Zinkbatterien ersetzt würde«, glaubt Mingqiang Wang, der Erstautor. Ahmet Emre, Doktorand der Biomedizintechnik an Kotovs Labor, ergänzt: »Diese Batterien erfüllen gleich zwei Aufgaben. Sie speichern Energie und schützen das Innenleben des Roboters. Dadurch bilden sie die Multifunktionalität von Fettgewebe nach, das in Lebewesen als Energiespeicher dient.«

Die neue Batterie beruht darauf, dass Hydroxid-Ionen zwischen einer Zinkelektrode und der Luftseite durch eine Elektrolytmembran geleitet werden. Diese Membran besteht zum Teil aus einem Geflecht von Aramid-Nanofasern, wie sie sich in schusssicheren Kevlar-Westen finden, und einem neuen wässrigen Polymer-Gel, welches den Austausch der Hydroxid-Ionen zwischen den Elektroden unterstützt. Die Batterie besteht aus preiswerten, reichlich vorhandenen und weitgehend ungiftigen Materialien und ist umweltfreundlicher als die derzeit verwendeten. Das Gel und die Aramid-Nanofasern entzünden sich nicht, wenn die Batterie beschädigt wird – anders als der brennbare Elektrolyt in Lithium-Ionen-Batterien. Zudem lassen sich die Aramid-Nanofasern aus ausgedienten Schutzwesten wiederverwenden.

© University of Michigan

University of Michigan, Nicholas Kotov, Batteries, Zinc-Air, Robots, Drones

Um ihre Batterien vorzuführen, testeten die Forscher mit normal großen und miniaturisierten Spielzeugrobotern in Form eines Wurms und eines Skorpions. Das Team ersetzte deren ursprüngliche Batterien durch Zink-Luft-Zellen. Sie verdrahteten die Zellen mit den Antrieben und wickelten sie um die Außenflächen der gruseligen Krabbler.

Der Nachteil von Zinkbatterien ist, dass sie ihre hohe Kapazität nur für etwa 100 Zyklen beibehalten, statt der 500 Zyklen oder mehr, wie wir sie von Lithium-Ionen-Batterien in unseren Smartphones erwarten. Das liegt daran, dass das metallisches Zink spitze Dendriten ausbildet, die schließlich den Separator zwischen den Elektroden durchstechen. Das stabile Geflecht aus Aramid-Nanofasern zwischen den Elektroden ist der Schlüssel zu der relativ langen Lebenszyklusdauer einer Zinkbatterie. Und dank der kostengünstigen und recycelbaren Materialien lassen sich die Batterien leicht wechseln.

Referenzen

[1] Ch. Strietzel, et al., An aqueous conducting redox polymer based proton battery that can withstand rapid constant-voltage charging and sub-zero temperatures, Angewandte Chemie, 2020. DOI: 10.1002/anie.202001191

[2] J. Song, et al., Controlling Surface Phase Transition and Chemical Reactivity of O3-Layered Metal Oxide Cathodes for High-Performance Na-Ion Batteries, ACS Energy Lett. 2020, 5, 1718–1725, April 28, 2020, DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00700

[3] R. Jia, et al., Nb2O5 nanotubes on carbon cloth for high performance sodium-ion capacitors, Science China Materials (2020). DOI: 10.1007/s40843-020-1278-9

[4] Z. V. Bobyleva, et al., Unveiling pseudocapacitive behavior of hard carbon anode materials for sodium-ion batteries, Electrochimica Acta, Vol. 354, 2020, 136647, DOI: 10.1016/j.electacta.2020.136647

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