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Natrium-Akkus vermeiden selten Rohstoffe

Natrium ist billig und extrem häufig, hat aber eine Reihe von Nachteilen gegenüber Lithium. Natrium-Ionen sind größer, schwerer und haben ein um 0,3 Volt kleineres elektrochemisches Potenzial. Alle diese Faktoren verringern die erreichbare Energiedichte der Natrium-Kathoden. Trotzdem wurden 2020 eine Reihe von Kathodenmaterialien auf Mangan-Basis vorgestellt, die mit einer theoretischen Energiekapazität um 600 Wh/kg ähnlich gut wie Lithium-Eisenphosphat sind. 700 Wh/kg wurden sogar schon 2018 demonstriert, aber noch immer nicht mit praxistauglicher Stabilität.

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Bei der Entwicklung der Natrium-Kathoden ist das schlechtere elektrochemische Potenzial ein versteckter Vorteil. Denn so finden die anionischen Redoxreaktionen mit Sauerstoff bei niedrigerer Spannung als mit Lithium statt und können auch mit herkömmlichen Elektrolyten genutzt werden. Inzwischen wurde eine große Zahl möglicher Stoffe untersucht, die solches Verhalten zeigen.

Die hohen Anteile des häufigen Mangans und der Verzicht auf Lithium sorgen für niedrige Materialkosten und eine bessere Umweltbilanz bei gleichzeitig guter Leistung. Deshalb setzen auch angehende Hersteller von Natrium-Ionen-Akkus wie Faradion auf Kathoden auf Basis von Mangan-Oxid.

Da viele Natrium-Ionen in der Kathode nicht mit dem Mangan reagieren, sondern mit dem Sauerstoff des Manganoxids, kann ein Teil des Mangans durch leichtere Atome wie Lithium, Magnesium oder Titan ersetzt werden oder es können schon bei der Synthese Löcher im Kristallgitter erzeugt werden. Das macht nicht nur das Material als Ganzes leichter, es gibt auch mehr Platz im Material, was es stabiler macht.

Andernfalls wird beim Einlagern der großen Natrium-Ionen leicht die Struktur von Manganoxid verändert. Durch sogenannte Jahn-Teller-Transformationen verrutschen die Atome im Kristallgitter, was bei jedem Ladezyklus die Struktur beschädigen kann. Die Forschung sorgte aber dafür, dass die Materialien inzwischen stabil genug sind, um 500 bis 1.000 Ladezyklen zu überstehen.

Eine Kathode wie aus einfachem Stein

Für eine Überraschung sorgte eine Gruppe chinesischer Forscher mit ihrer Arbeit an Natrium-Eisensilikat (Na2 Fe(SiO4)). Der Stoff ist extrem hitzebeständig und besteht nur aus Natrium, Eisen, Silizium und Sauerstoff - vier der sechs häufigsten Elemente in der Erdkruste. Ein großer Brocken Natrium-Eisensilikat wäre nichts anderes als ein ganz einfacher Stein. Die Kathoden müssen aber aus chemisch erzeugten, extrem feinen Partikeln bestehen, denn es leitet Natrium-Ionen sehr schlecht. Nur so können die Natrium-Ionen schnell genug in den Stoff eindringen und ihm entkommen.

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Noch Anfang des Jahres 2020 galt es als unmöglich, alle Natrium-Ionen aus der Verbindung zu lösen. Nach durchschnittlich 1,25 Natriumatomen stiegen die notwendigen Spannungen so stark an, dass der Elektrolyt dabei zerstört worden wäre. Es zeigte sich aber, dass diese Spannung gesenkt werden kann, wenn eines der vier Sauerstoffatome durch Fluor ersetzt wird. Mit dem Fluor konnten alle Natrium-Ionen aus der Verbindung gelöst werden. Danach liefert der Stoff rund 270 mAh/g, eine Steigerung um 60 Prozent, was bei einer durchschnittlichen Spannung von 2,2 Volt rund 600 Wh/kg entspricht. Er verlor nach 200 Ladezyklen auch nur 6 Prozent an Kapazität.

Bislang galt Preußisch Blau (Eisen-Hexacyanoferrat Na2-Fe[Fe(CN)6]) als günstigstes Kathodenmaterial für Natrium-Ionen-Akkus. Es ist inzwischen weitgehend ausgereift und übersteht Tausende Ladezyklen mit hohen Ladegeschwindigkeiten. Allerdings speichern sie mit rund 400 Wh/kg deutlich weniger Energie. Der Hauptteil der Kosten eines Akkus jedoch fällt bei der Herstellung an, was Akkus trotz des billigeren Ausgangsmaterials teurer machen kann. Oft spart ein teureres Material mit höherer Energiedichte deshalb mehr Herstellungskosten ein.

Sehr teuer können dagegen Kathoden aus Natrium-Vanadiumphosphat sein. Dafür lassen sich diese teuren Exemplare im Labor in Sekundenschnelle aufladen.

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 Neue Lithium Kathoden werden mit (zu) viel Spannung erwartetSuperschnelle Natrium-Akkus oder darf's auch etwas langsamer sein? 
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Filius 26. Jan 2021 / Themenstart

Sehe ich nicht so. "Günstiger grüner Wasserstoff" wird in vielen Bereichen sinnvoll...

GangnamStyle 25. Jan 2021 / Themenstart

Hier hat sich neben LFP-Akkus (sehr lange Haltbarkeit) und NCM-Zelle durchgesetzt. Blei...

GangnamStyle 25. Jan 2021 / Themenstart

Ja, es stimmt und Bleiakku ist ja nicht tot zubekommen - wegen des geringen Preises. Aber...

Neuro-Chef 24. Jan 2021 / Themenstart

Crolham 23. Jan 2021 / Themenstart

Ich tanz im Dreieck wenns endlich mal Akkus gibt die beim Racen länger als 2-3min...

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