Superschnelle Natrium-Akkus oder darf's auch etwas langsamer sein?

Obwohl ihre Energiedichte mit 450 Wh/kg kaum besser ist, bekommen Kathoden aus Natrium-Vanadiumphosphat (Na3-V2(PO4)3) sehr viel Aufmerksamkeit. Die Energiedichte ist begrenzt, weil sich aus dem Stoff bislang nur zwei der drei Natriumatome entfernen lassen, sonst wären zu hohe Spannungen beim Laden notwendig. Noch dazu ist Vanadium ähnlich teuer wie Nickel. Aber interessant wird es durch die Struktur des Stoffs. Die wird als Nasicon bezeichnet, die Kurzbezeichnung für Natrium-Super-Ionen-Leiter. Der Name ist Programm. Der Stoff kann Natrium-Ionen im Vergleich zu anderen Kathoden wirklich sehr schnell abgegeben und aufnehmen.

Obwohl die Nasicons Strom schlecht leiten und deshalb mit Kohlenstoff beschichtet werden müssen, liefern einige teure und hochoptimierte Konstruktionen mit aufwendigen Kohlenstoffstrukturen selbst bei unerhörten Lade- und Entladegeschwindigkeiten von 500 C noch sehr nützliche Energiemengen. 1 C entspricht einer theoretischen Ladedauer von 3.600 Sekunden. 500 C wären 7,2 Sekunden! Leider funktioniert das nur bis zu einem Drittel der Ladung, also für 2,4 Sekunden, bis sich der Ladeprozess verlangsamt.

Ein Kilogramm Kathodenmaterial kann dabei theoretisch Leistungen von über 100 Kilowatt abgeben. Das sind Werte, die sonst nur Superkondensatoren liefern, die dabei aber eine schlechtere Energiedichte haben. Die besten Lithium-Kathoden mit ähnlicher Konstruktion kommen nur auf 40 Kilowatt. Daher kommt das Interesse, trotz sehr teurer Materialien. Es gibt aber noch keine Anode, die das Natrium auch genauso schnell liefern und aufnehmen kann wie diese Kathode. Auch billiger hergestellte Kathoden aus dem Material liefern noch hohe Leistungen und Zehntausende Ladezyklen ab.

Schnelle Plastik-Kathoden für Festkörperakkus

Viel günstiger dürfte hingegen ein neues organisches Kathodenmaterial sein, das mit 4 Kilowatt pro Kilogramm immer noch sehr viel Leistung bei einem 6-minütigen Ladezyklus liefert. Es besteht aus ringförmigen Kohlenwasserstoffen, die gegeneinander verdreht sind und mit einigen Stickstoffatomen versetzt werden. Die Ringe können sowohl mit Lithium- als auch mit Natrium-Ionen reagieren. Es wird erwartet, dass sich solche Polymere sehr günstig herstellen lassen und ihre Struktur vergleichsweise leicht manipuliert und verbessert werden kann.

Vor allem aber sind Polymere elastisch und können sich gut an feste Oberflächen anschmiegen, wie etwa starre keramische Separatoren in Feststoffakkus. Der mangelnde Kontakt der Kathode mit dem Separator ist dort ein wichtiger Grund für langsame Ladegeschwindigkeiten und plötzliches Versagen von Akkus. Mit Lithium blieb die Kathode über 2.000 Ladezyklen stabil, bei einer Energiedichte von rund 500 Wh/kg, auch bei Ladezeiten von 15 Minuten. Es erreichte mit Natrium eine sehr ähnliche Energiedichte. Allerdings hatte das auf Lithium spezialisierte Labor keine gut funktionierende Natrium-Anode zur Verfügung und konnte so die Stabilität des Stoffs damit nicht abschließend beurteilen.