Materialforscher hoffen auf Durchbruch bei Natrium-Ionen-Batterien

Hohe Speicherverluste beim ersten Ladezyklus bremsen bisher noch die Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien. Wenn man die Batterien während der Produktion das erste Mal lädt, reagiert die Anode (der Minuspol) mit der leitfähigen Flüssigkeit des Akkus, dem Elektrolyten. Dabei zersetzen sich Elektrolyt-Moleküle an der Anode aus hartem Kohlenstoff. Sie dringen in die Poren des Kohlenstoff ein und besetzen Leerstellen, die eigentlich dazu dienen sollen, Natrium-Ionen zu speichern. Wenn sich ein stabiler Schutzfilm auf der Anode gebildet hat, kommt der Prozess zum Stillstand. Der Schutzfilm besteht teils selbst aus Natrium-Ionen und verbraucht deshalb einen Teil der speicherbaren Energie und bindet die Ladungsträger.

Neues Anoden-Design

Bei Lithium-Ionen-Batterien, deren Anoden aus dichtem Graphit bestehen, bildet sich diese Schutzschicht leichter, sodass sie eine Effizienz von meist über 90 Prozent bieten. Graphit kommt für Natrium-Ionen-Batterien jedoch nicht infrage. Um das oben genannte Problem der bisher präferierten harten Kohlenstoffe zu beheben, hat ein Team des BAM ein innovatives Kern-Schale-Design für die Anode entwickelt. „Wir haben erkannt, dass sich bei Natrium-Ionen-Batterien große Speicherkapazitäten und effiziente Filmbildung nicht durch ein einzelnes Material realisieren lassen“, erklärt Tim-Patrick Fellinger, BAM-Experte für Energiematerialien. „Denn: Je besser sich ein Material für die Speicherung eignet, desto verlustreicher ist die Filmbildung.“
Das Team hat für das neue Design ein Verfahren entwickelt, mit welchem sie den porösen harten Kohlenstoff im Kern der Anode mit einer hauchdünnen Schicht umhüllen können, die wie ein Filter wirkt. Sie lässt die Natrium-Ionen passieren, hält aber die störenden Elektrolyt-Moleküle fern. So bleibt die Speicherkapazität der Anode erhalten. Das maßgeschneiderte Material basiert auf Aktivkohle und sei deshalb auch wirtschaftlich interessant, erklärt das BAM.

82 Prozent Anfangseffizienz

Die Effizienz liegt mit den neuen Materialien schon jetzt bei einer Anfangseffizienz von 82 Prozent. Ohne Beschichtung liegt diese bei 18 Prozent. Das Team hält es für wahrscheinlich, weitere Fortschritte erzielen zu könnnen. „Die Trennung von ‚Formierung‘, so der Fachbegriff für die Filmbildung, und Speicherung erlaubt die gleichzeitige Verbesserung von Effizienz und Speicherkapazität durch getrennte Materialentwicklungen. Bisher wurden bei Batterien Fortschritte hauptsächlich durch Materialinnovationen auf der Kathodenseite erreicht. Hier sind wir den theoretischen Grenzen nahe. Bei Anodenmaterialien hingegen ist noch völlig ungewiss, wo diese Grenzen liegen und mit welchen innovativen Ansätzen in der Materialentwicklung – Stichwort: Advanced Materials - sich weitere Fortschritte erzielen lassen“, so Paul Appel aus dem Team.

Im Berlin Battery Lab, einer Kooperation von BAM, dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin, soll das Anodenmaterial weiterentwickelt und in marktfähige Produkte überführt werden.
Die Projekte „DialySorb“ und „NMR-Batt“, in deren Rahmen die neue Anode entwickelt wurde, werden vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt im Rahmen des Dachkonzepts Batterieforschung gefördert.