Akkuforscher bewahren einen kühlen Kopf

Akkus auf Basis von Natrium-Ionen lassen sich auch bei Zimmertemperatur betreiben. Das Prinzip ist dabei das gleiche wie beim Lithium-Ionen-Akku. Anfangs wurden beide Technologien gleichzeitig entwickelt, bis die Entwicklung der ersten praxistauglichen Lithium-Ionen-Akkus einen Großteil der Forscher dazu veranlasste, zunächst weiter an dieser Technologie zu arbeiten.

Wegen der chemischen Ähnlichkeit der beiden Elemente liegt es nahe, zunächst alle Methoden aus der Lithium-Ionen-Technologie auch auf Natrium anzuwenden. Die Resultate waren durchwachsen. Ein Natrium-Ion ist etwas größer als ein Lithium-Ion. In der Anode lässt es sich deshalb nicht so leicht zwischen Graphitschichten einlagern wie Lithium und auch in der Kathode war der bloße Ersatz von Lithium durch Natrium nicht sehr erfolgreich.

Auf der Suche nach einer Anode blieben die Forscher zunächst beim Kohlenstoff. Nur sehr kleine Partikel von Kohlenstoff können größere Mengen von Natrium aufnehmen, wenn der Akku langsam geladen und bei erhöhten Temperaturen betrieben wird. In den vergangenen Jahren wurden in Laborexperimenten immer bessere Anodenmaterialien entwickelt, die auf Kohlenstoffnanoröhren und Graphen basieren.

Phosphor speichert viel, aber langsam

Wobei im vergangenen Jahr die besten Resultate mit einer Kombination aus Phosphor und Kohlenstoff erzielt wurden. Der Kohlenstoff soll den Phosphor stabilisieren, weil sich der Phosphor beim Einlagern des Natriums sonst zu stark ausdehnt. Das alles geht aber mit Ladezeiten von etwa sieben Stunden einher. Bei schnellerer Ladung erreichen sie nur noch einen Bruchteil ihrer Kapazität.

Die Suche nach einer geeigneten Kathode begann beim Lithium-Ionen-Akku. In den Lithium-Kobalt-Oxid- und den Lithium-Eisen-Phosphat-Kathoden wurde Lithium durch Natrium ersetzt. Aber die Kathoden setzten zunächst kaum Natrium frei und selbst nach einiger Forschungsarbeit konnte keine der Kathoden der Leistung von Lithium-Ionen-Akkus nahe kommen. Inzwischen werden neue Materialien auf der Basis von Eisensulfat und Eisen-Mangan-Oxiden entwickelt, die tatsächlich auf eine Parität mit Lithium-Akkus hoffen lassen, ohne knappe Rohstoffe zu beanspruchen. Zuvor ist aber noch viel Entwicklungsarbeit nötig.

Magnesium bringt zwei Elektronen pro Atom

Gleich neben Natrium liegt im Periodensystem der Elemente das Magnesium. Es kann gleich zwei Elektronen abgeben und hat den weiteren Vorteil, dass es in der Anode in Reinform vorliegen kann und beim Laden keine Verästelungen bildet, die zu Kurzschlüssen und Kapazitätsverlusten führen können. Dafür muss für eine funktionierende Magnesium-Ionen-Batterie eine völlig neue Chemie entwickelt werden, die nicht auf die Ergebnisse von Lithium-Ionen-Akkus zurückgreifen kann. Entsprechend ist das Forschungsgebiet noch wenig entwickelt. Besonders die Entwicklung geeigneter Elektrolyte bereitet Probleme.

Die besten Elektrolyte, um Magnesium-Ionen im Akku zu transportieren, sind Chlorverbindungen, die äußerst korrosiv sind und die Batterie im Betrieb zerstören würden. Die elektrischen Kontakte werden dabei für Laborexperimente aus Platin gefertigt. Um andere Materialien verwenden zu können, muss die Spannung des Akkus begrenzt werden, was die Energiedichte verringert. Eine Kathode, die eine hohe Leistung über viele Zyklen liefert, wurde auch noch nicht gefunden.

Ein Magnesium-Schwefel-Akku hätte dank der reinen Magnesium-Anode in der Theorie zwar die vierfache Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Akkus, aber die Magnesium-Ionen reagieren zu leicht mit dem Schwefel, wodurch die Kapazität nach wenigen Zyklen zusammenbricht. Die Forscher hoffen auf die Entwicklung eines festen Elektrolyten, mit dem die Korrosion kein Problem mehr wäre. Aber feste Elektrolyte sind nur in Ausnahmefällen gute Ionenleiter bei Zimmertemperatur. Ein Durchbruch ist nicht auszuschließen, aber in nächster Zeit ist keiner zu erwarten.