Batterietechnik Natrium-Ionen-Batterien: BAM entwickelt neues Anoden-Design für mehr Speicherkapazität

Natrium statt Lithium: Natrium-Ionen-Batterien gelten dank kostengünstiger, nachhaltiger Materialien, ihrer hohen Sicherheit sowie Schnellladefähigkeit und Leistung bei Kälte als Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Doch hohe Speicherverluste beim ersten Ladezyklus bremsen bisher ihre Entwicklung. Die BAM hat nun ein Design für die Anode entwickelt, das die Speicherkapazität erhöht.

Natrium-Ionen-Batterien gelten als heiliger Gral in der Batterietechnik, da sie mit vielen Vorteilen im Vergleich zu ihrem Lithium-Ionen-Pendant aufwarten. Doch sie sind auch mit einigen Nachteilen behaftet. Dazu zählen die im Vergleich zum Lithium-Akku geringe Energiedichte. Natriumbatterien arbeiten derzeit in einem Spektrum von 75 bis 165 Wattstunden pro Kilo (Wh/kg), während Lithiumbatterien bei 120 bis 160 Wh/kg liegen. Natrium-Ionen-Batterien benötigen also mehr Platz und bringen mehr Gewicht auf die Waage, um die gleiche Menge an Energie zu speichern. Heißt: Sie weisen bei gleichem Bauraum weniger Speicherkapazität auf.

Darüber hinaus ist der irreversible Verlust an Speicherkapazität beim ersten Laden ein erheblicher Minuspunkt: Noch während der Herstellung der Batterie entsteht durch eine chemische Reaktion zwischen der Anode und dem Elektrolyten. Dabei zersetzen sich Elektrolyt-Moleküle an der Anode aus hartem Kohlenstoff und dringen in dessen Poren ein. Sie besetzen „Leerstellen“, die eigentlich für die Speicherung von Natrium-Ionen vorgesehen sind. Erst wenn sich ein stabiler Schutzfilm auf der Anode gebildet hat, kommt dieser Prozess zum Stillstand.

Der Film schützt die Anode vor weiterer Zersetzung durch den Elektrolyten, verbraucht jedoch einen Teil der speicherbaren Energie, weil er teils selbst aus Natrium-Ionen besteht. Er bindet also jene Ladungsträger, die für den Ladungstransport in der Batterie zuständig sind.

Welches Anodenmaterial eignet sich für Natrium-Ionen-Batterien?

Bei Lithium-Ionen-Batterien tritt dieses Problem kaum auf, weil sich auf deren Anoden aus dichtem Graphit die Schutzschicht leichter bildet, sodass die Effizienz des Akkus meist über 90 Prozent liegt. Natrium kann jedoch nicht in Graphit eingelagert werden. Deshalb wird bei diesem Batterietyp generell ein anderes Anodenmaterial benötigt und sogenannte harte Kohlenstoffe haben sich hier als die beste Wahl erwiesen – bis auf die erwähnten Nachteile beim ersten Ladevorgang.

Zur Lösung entwickelte die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ein neuartiges Kern-Schale-Design für die Anode. „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 und betont: „Je besser sich ein Material für die Speicherung eignet, desto verlustreicher ist die Filmbildung.“

Poröser harter Kohlenstoff

Die Forscher haben ein Verfahren erarbeitet, bei dem sie einen porösen, also einen schwammartigen harten Kohlenstoff als Speichermaterial im Kern der Anode mit einer hauchdünnen Schicht umhüllen, die wie ein Filter wirkt. Sie lässt die erwünschten Natrium-Ionen passieren, hält aber störende Elektrolyt-Moleküle fern. So bleibt die Speicherkapazität der Anode erhalten und die Batterie kann über viele Ladezyklen hinweg ihre Leistung behalten. Das maßgeschneiderte Material basiert auf Aktivkohle, einem günstigen und umweltfreundlichen Material.

Hohe Anfangseffizienz, mehr möglich

Die in der Studie entwickelten Materialien erreichen bereits eine Anfangseffizienz von 82 Prozent – ohne Beschichtung liegt sie bei 18 Prozent. Weitere Fortschritte hält man am BAM für wahrscheinlich. „Die Trennung von Formierung 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 sich weitere Fortschritte erzielen lassen“, so Paul Appel aus dem Team.

Weiterentwicklung im Berlin Battery Lab geplant

Die Weiterentwicklung des Anodenmaterials soll im Berlin Battery Lab (BBL) erfolgen, einer Kooperation von BAM, dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin. Das Berlin Battery Lab bündelt das Know aller drei Forschungseinrichtungen im Bereich nachhaltiger Batterietechnologien und bietet der Industrie eine Plattform, um Neuentwicklungen schneller in marktfähige Produkte zu überführen.(se) 

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