Akkuforschung: Versiegelung löst Grundproblem der Natriumbatterien
Ein Forschungsteam der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)(öffnet im neuen Fenster) , des Helmholtz-Zentrums Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin hat einen Ansatz entwickelt, mit dem die verfügbare Kapazität von Natrium-Ionen-Batterien in Experimenten um mehr als das Vierfache erhöht worden ist. Möglich ist diese Steigerung, weil eines der Hauptprobleme der Batterietechnik, die anfangs rapide sinkende Kapazität der Zelle durch spezielle Materialien, gestoppt werden kann.
Als Material für die Anode kommen harte Kohlenstoffe zum Einsatz. Sie sind porös und erlauben das Einlagern der Natriumionen. Wie bei Lithium-Ionen-Batterien muss sich vor der eigentlichen Inbetriebnahme des Akkumulators noch ein Schutzfilm auf der Anode bilden.
Entscheidende Schwäche von Na-Ion-Batterien umgangen
Dabei dringt jedoch auch Elektrolyt in die Leerstellen ein, die für die Natriumionen vorgesehen sind. Zudem wird die Schutzschicht auch durch das Natrium selbst gebildet, welches dann nicht mehr für die Energiespeicherung zur Verfügung steht.
In der Praxis sinkt die verfügbare Kapazität im Vergleich zum theoretischen Startwert auf nur noch 20 Prozent davon. Bei Lithium-Ionen-Batterien würden etwa 90 Prozent erreicht, auch weil Lithiumionen kleiner sind als Natrium und kleinere Leerstellen besetzen, die der Elektrolyt nicht erreicht.
Mit einem neu entwickelten nanoporösen Kohlenstoff und einer semipermeablen Beschichtung konnte das Forschungsteam erreichen, dass die Kapazität nur noch auf knapp 80 Prozent des Ursprungswerts sinkt. Sie ist damit viermal so hoch im Vergleich zu einer Anode ohne Spezialbeschichtung.
Keine seltenen Materialien nötig
Diese Verkapselung des Anodenmaterials, die nicht den Elektrolyt, sondern nur noch die Natriumionen eindringen lässt, besteht aus Aktivkohle. Wie die übrigen Bestandteile von Natriumbatterien ist sie gut verfügbar, eine der Haupteigenschaften und großen Stärken der Batterietechnik.
Durch den Einsatz von zwei unterschiedlichen Strukturen für Beschichtung und Speicherung konnte damit eines der wichtigsten Probleme von Natrium-Ionen-Batterien gelöst werden. Die Studie dazu wurde in Angewandte Chemie(öffnet im neuen Fenster) veröffentlicht.
Blick auf die Produktionsprozesse
Noch handelt es sich dabei um Grundlagenforschung, während Natriumbatterien an anderer Stelle bereits industriell gefertigt werden. Derzeit können sie aber weder beim Preis noch bei der Leistung und der Energiedichte mit Batterien auf Lithiumbasis mithalten.
Die Forschungsergebnisse könnten helfen, die Lücke zu schließen. Damit dies ohne größere Verzögerungen gelingen kann, gibt es weitere Projekte wie SIB:DE, in dem neben den Grundlagen unmittelbar die Skalierung und die Integration in bestehende Produktionsprozesse mitgedacht wird. Wie die oben erwähnten Forschungseinrichtungen zählen zum Beispiel auch BASF und Varta zu den Projektpartnern.