Schwerpunkte

Natrium-Ionen-Batterie

Russische Forscher entdeckten Energiespeicher-Mechanismus

04. September 2020, 08:30 Uhr   |  Ralf Higgelke

Russische Forscher entdeckten Energiespeicher-Mechanismus
© Andreas160578

Weltweit suchen Forscher nach Alternativen zum relativ seltenen Lithium für den Einsatz in wiederaufladbaren Batterien. Ein Kandidat ist Natrium. Russische Forscher haben nun den Energiespeicher-Mechanismus in Hartkarbon als Anodenmaterial aufgedeckt und eine Kapazität von 300 mAh/g erzielt.

Die Nachfrage nach wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien und deren Größe wachsen ständig. Dieser Wachstumstrend stößt jedoch auf zahlreiche Hindernisse, beispielsweise die hohen Kosten für Lithiumsalze, begrenzte globale Reserven und die ungleiche Verteilung der Vorkommen in den einzelnen Ländern. Um diese Hürden zu überwinden, arbeiten Wissenschaftler weltweit – auch in Russland – an der Natrium-Ionen-Batterie als Alternative.

Natrium ist das sechsthäufigste Element in der Erdkruste. Seine Salze sind im Vergleich zu Lithium etwa 100 Mal billiger. 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.

Eine wiederaufladbare Batterie besteht aus drei Hauptkomponenten: der Kathode, der Anode und dem Elektrolyten. Es gibt eine große Vielfalt an Rezepturen und Strukturen, die für Kathoden oder Elektrolyte von Natrium-Ionen-Batterien geeignet sein könnten. Die Anode jedoch erweist sich nach wie vor als Stolperstein. Graphit, wie er bei Lithium-Ionen-Batterien erfolgreich eingesetzt wird, funktioniert dort nicht, da die Größen von Kohlenstoffhexagonen und Natriumkationen zu unterschiedlich sind, damit sich diese einlagern (Interkalation).

Skoltech, Sodium Ion Battery, Electrochimica Acta, Batteries
© Zoia V.Bobyleva et al./Electrochimica Acta

Bild 1: Das vorgeschlagene Modell der Entsodifizierung von Hartkarbon.

Offenbar ist Hartkarbon das einzige Material, das tatsächlich als Anodenmaterial geeignet ist. Hartkarbon, das durch eine unregelmäßige Anordnung verzerrter graphitähnlicher Schichten gebildet wird, besitzt eine vergleichbare Speicherfähigkeit für Natriumionen wie Graphit in Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings blieb bislang noch unklar, warum und wie dies geschieht.

Neuer Mechanismus entdeckt

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. Ihre Erkenntnisse könnten zusammen mit der vom gleichen Team entwickelten Herstellungsmethode für Anoden dazu beitragen, die Kommerzialisierung dieser Art von Batterien in Russland und darüber hinaus voranzutreiben.

Skoltech, Sodium Ion Battery, Electrochimica Acta, Batteries
© Zoia V.Bobyleva et al./Electrochimica Acta

Bild 2: Speicherkapazität der neuen Natrium-Ionen-Batterie

»Es gibt 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 Staatlichen 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. Das ist eine gute Nachricht. Denn die Interkalation ist genau das, was wir für die Batterie benötigen. Gleichzeitig finden auch Oberflächenprozesse, die mit der Pseudokapazität verbunden sind, statt, wie sie bei Superkondensatoren üblich sind.«

»Diese Arbeit ist bemerkenswert«, kommentierte Evgeny Antipov, ein Skoltech-Professor und Leiter der Abteilung Elektrochemie an der chemischen Fakultät der Staatlichen Universität Moskau. »Denn sie zeigt nicht nur, wie Hartkarbon im Natrium-Ionen-System funktioniert, sondern auch, wie Hartkarbon mit einer Kapazität von über 300 mAh/g hergestellt werden kann. Dieser Wert ist mit der Kapazität von Graphit in Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar. Es ist uns somit gelungen, ein gutes Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien herzustellen. Und, was noch wichtiger ist, wir wissen, wie sie funktionieren.«

Originalpublikation

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

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Forscher präsentieren wiederaufladbare Protonenbatterie
Superionische Kristalle für sicherere Akkus
480 km Reichweite in zehn Minuten
Umfassende Übersichtsstudie zu Kalium-Ionen-Akkus
US-Forscher entwickeln praxistaugliche Natrium-Ionen-Batterie
Bindeglied zwischen Superkondensator und Akku
Niedrige Lithium-Preise gefährden Versorgung
1000 km fahren ohne Nachladen
Biomorpher Zink-Luft-Akku für Roboter

Verwandte Artikel

elektroniknet