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Jenseits von Lithium

Neue Forschungen an Batteriechemien

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

Neue Forschungen an Batteriechemien
© Quelle: Andreas160578 / Pixabay

Auch wenn wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien hervorragend sind, bemühen sich Forscher weltweit, andere Zellchemien zu entwickeln und marktreif zu machen. Im Folgenden ein Überblick über Forschungsarbeiten der letzten Monate jenseits von Lithium – meist auf Basis von Kochsalz.

Viele heute verwendete Batterien belasten die Umwelt erheblich, nicht zuletzt durch den Abbau der darin verwendeten Metalle. »Deshalb haben wir im Rahmen unserer Forschung eine Batterie entwickelt, die aus häufig in der Natur vorkommenden Elementen aufgebaut ist und die zur Herstellung organischer Batteriematerialien verwendet werden können«, erklärt Christian Strietzel von der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der Universität Uppsala.

Aus diesem Grund wählte das Forscherteam Chinone als Aktivmaterial für ihre Protonen-Batterie [1]. Diese organischen Kohlenstoffverbindungen kommen in der Natur reichlich vor, zum Beispiel bei der Photosynthese. Die Eigenschaft der Chinone, die sich die Forscher zunutze gemacht haben, ist ihre Fähigkeit, beim Laden und Entladen der Batterie Wasserstoff-Ionen – sprich Protonen – zu absorbieren und wieder abzugeben. Als Elektrolyt dient eine säurehaltige wässrige Lösung, um die Protonen innerhalb der Batterie zu transportiert. Dies ist nicht nur umweltfreundlich, sondern bietet auch Sicherheit, weil nicht die Gefahr besteht, dass die Batterie brennt oder gar explodiert.

Aber das ist nicht der einzige Vorteil dieser Protonenbatterie. Denn sie kommt ohne die anspruchsvolle Elektronik aus, wie sie für Lithium-Ionen-Batterien erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Batterie unabhängig von den Umgebungstemperaturen ist. »Bekanntlich nimmt die Leistung von herkömmlichen Batterien bei niedrigen Temperaturen ab. Wir konnten nachweisen, dass unsere organische Protonenbatterie ihre Eigenschaften – zum Beispiel ihre Kapazität – bis hinunter zu –24 °C beibehält«, erklärt Strietzel.

»Es bleibt noch viel Entwicklungsarbeit an der Batterie zu leisten, bevor sie zu einem Alltagsgegenstand wird«, betont der Forscher. »Doch unsere Protonenbatterie ist ein großer Schritt in Richtung einer zukünftigen Herstellung von nachhaltigen organischen Batterien.«

Washington State University, Sodium Ion Battery, Junhua Song
© Washington State University

Bild 1: Junhua Song und seine Kollegen von der Washington State University entwickelten eine Natrium-Ionen-Batterie, die ebenso viel Energie speichern kann und genauso gut arbeitet wie handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien.

Kathode für Natrium-Ionen-Batterien

Eine wiederaufladbare Natrium-Ionen-Batterie mit einer ähnlichen Kapazität wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien hat ein Team der Washington State University und des Pacific Northwest National Laboratory entwickelt [2]. Bis dato war es nicht gelungen, Natrium-Ionen-Batterien zu entwickeln, die so viel Energie speichern wie Lithium-Ionen-Batterien. Auch das Aufladen erfolgte nicht schnell und effizient genug. Ein zentrales Problem für einige der aussichtsreichsten Katodenmaterialien besteht darin, dass sich an der Oberfläche der Kathode eine Schicht inaktiver Natriumkristalle bildet, die den Fluss der Natrium-Ionen stoppt und folglich die Batterie zerstört. Diese Vorgang heißt im Fachjargon Plating und kann auch bei Lithium-Ionen-Batterien auftreten.

»Die zentrale Herausforderung«, so Junhua Song (Bild 1), Erstautor der Studie, »besteht darin, dass die Batterie sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine gute Zyklenfestigkeit aufweist.« Nach tausend Ladezyklen blieben bei dieser Natrium-Ionen-Batterie immerhin noch 80 Prozent Restkapazität.

Im Rahmen dieser Arbeit schuf das Team eine Kathode aus geschichtetem Metalloxid und einen flüssigen Elektrolyten, der zusätzliche Natrium-Ionen enthielt. Dadurch wurde die Lösung salziger und interagierte besser mit der Kathode. Durch den Aufbau der Kathode und des Elektrolytsystems bleiben die Natrium-Ionen ständig in Bewegung, sodass sich an der Oberfläche keine inaktiven Kristalle ansammeln und der elektrische Strom ungehindert fließen kann.

Die Forscher arbeiten nun daran, die Wechselwirkung zwischen Elektrolyt und Kathode besser zu verstehen. So können sie mit unterschiedlichen Materialien für ein verbessertes Batteriedesign arbeiten. Auch wollen sie eine Batterie entwerfen, die ohne Kobalt auskommt, einem anderen relativ teuren und seltenen Metall. »Wenn wir gangbare Alternativen sowohl für Lithium als auch für Kobalt finden können, könnte die Natrium-Ionen-Batterie tatsächlich in Konkurrenz zu Lithium-Ionen-Batterien treten«, fügte Song hinzu.

Zwischen Akku und Superkondensator

Die Lücke zwischen Superkondensatoren und Akkus könnten hybride Natrium-Ionen-Kondensatoren schließen. Bei solchen Bauelementen war bislang das Design geeigneter Anodenmaterialien mit schnellem kinetischem Verhalten sowie langer Lebensdauer in Abstimmung mit den Katodenmaterialien eine Herausforderung. Ein Team der Pekinger University of Science and Technology und des Institute of Semiconductors der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat Nb2O5-Nanoröhren und Übergänge zwischen Nanodraht zu Nanoröhren auf Kohlenstoffgewebe über einen einfachen hydrothermalen Prozess direkt synthetisiert [3].

Science China Press, Lithium, Batteries
© Science China Press

Bild 2: (oben) Schematische Darstellung des Wachstums von Nioboxid-basierten Materialien auf Kohlenstoffgewebe für den Natrium-Ionen-Kondensator; (unten) die Kapazität (blaue Kurve) und die Coulomb-Effizienz (gelbe Kurve) bleiben auch nach 1500 Zyklen sehr stabil.

Diese Nanoröhren zeigten eine hohe reversible Kapazität von 175 mAh/g bei einer Stromdichte von 1 A/g mit einer Coulomb-Effizienz (Lade-Effizienz) von 97 Prozent nach 1500 Zyklen (Bild 2). Darüber hinaus zeigten die mit Nb2O5-Nanoröhren und Elektrodenmaterialien aus Aktivkohle hergestellten Natrium-Ionen-Kondensatoren eine Energiedichte von 195 Wh/kg bei 120 W/kg, eine Leistungsdichte von 7328 W/kg bei 28 Wh/kg und 80 Prozent Restkapazität nach 5000 Zyklen.

Prof. Guozhen Shen vom State Key Laboratory for Superlattices and Microstructures des Institute of Semiconductors erklärt: »Obwohl Niob-Oxid chemisch stabil ist und große interplanare Abstände aufweist, leitet es elektrischen Strom relativ schlecht. Um dies zu überwinden, züchteten wir Niob-Oxid-Nanomaterialien mit unterschiedlicher Morphologie direkt auf den Stromkollektoren aus Kohlenstoffgewebe und nutzten dabei den Synergieeffekt von Pyridin und des pH-Wertes der Säurelösung.«

Die physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften der hergestellten Materialien wurden systematisch untersucht. Die Studien ergaben, dass die Nanoröhren eine große spezifische Oberfläche und ein großes Porenvolumen aufweisen. Dadurch entstehen mehr aktive Stellen, die an elektrochemischen Reaktionen beteiligt sind. Die Elektrode auf Basis von Nb2O5-Nanoröhren besitzt nicht nur eine hohe elektrische Leitfähigkeit, sondern reduziert auch die volumetrische Ausdehnung, die durch die Einlagerung und den Abfluss von Natriumionen verursacht wird.

»Darüber hinaus können die biegsamen Bauelemente unter verschiedenen Biegezuständen ganz normal arbeiten«, so Shen weiter. »Unsere Niob-Oxid-Nanoröhren können daher vielversprechende Elektrodenmaterialien für biegsame und tragbare Energiespeicher sein.«

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1. Neue Forschungen an Batteriechemien
2. Neuer Interkalationsmechanismus entdeckt

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