Bessere Lösungsansätze für wiederaufladbare Batterien mit Natriumionen

Digitale Geräte, Technologien für erneuerbare Energien und Elektrofahrzeuge lassen den Markt für Lithium-Ionen-Batterien stetig wachsen. Diese leistungsstarken wiederaufladbaren Batterien weisen jedoch einige Nachteile auf. Sie enthalten möglicherweise giftige Rohstoffe, können bei Überhitzung oder Überladung explodieren und sind kostenintensiver als andere wiederaufladbare Batterien. Als eine potenziell attraktive Alternative erscheint hier die Natrium-Ionen-Batterie, die mehr Sicherheit, geringere Kosten und weniger negative Auswirkungen auf die Umwelt verspricht.

Vor diesem Hintergrund konzentrierten sich die im Rahmen des EU-finanzierten Projekts SEED unterstützten Forschenden auf Natriumionen, um neue Kombinationen aus Elektrolytlösungen und Elektrodenmaterialien zu erkunden. Ihre Erkenntnisse wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ veröffentlicht.„Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, die auf der Speicherung von Lithium-Ionen in der positiven und negativen Elektrode der Batterie basieren, arbeiten wir mit Natrium-Ionen, wie sie auch in billigem Kochsalz vorkommen. Dazu speichern wir die Natrium-Ionen zusammen mit ihrer Solvathülle, also Lösungsmittelmolekülen aus der Elektrolytlösung, die die beiden Elektroden trennen. Damit lassen sich völlig neue Speicherreaktionen realisieren“, erklärt Studien-Hauptautor Prof. Philipp Adelhelm von der Humboldt-Universität zu Berlin (HU Berlin), an der das Projekt SEED angesiedelt ist, in einer auf der Website des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) veröffentlichten Pressemitteilung.

Die Interkalation ist der Vorgang, bei dem ein Gastion in ein Wirtsgitter eingebaut wird. Werden Ionen in Begleitung ihrer Solvatationshülle in einem Kristallgitter eigelagert, wird dieser Prozess als Ko-Interkalation bezeichnet. Während dieses Konzept bisher auf die negative Elektrode der Natrium-Ionen-Batterie beschränkt war, gelang es dem Forschungsteam, es auf die positive Elektrode der Batterie auszuweiten. Studien-Erstautor Dr. Guillermo Alvarez Ferrero, auch von der HU Berlin, erläutert dazu: „Mit Titandisulfid und Graphit haben wir zum ersten Mal zwei Materialien kombiniert, die während des Ladens und Entladens der Batterie dasselbe Lösungsmittel aufnehmen und abgeben.“

Wie in der Pressemitteilung berichtet, konnte das Team anhand von Operando-Messungen mit dem energiedispersiven Diffraktometer LIMAX-160 am Röntgen-Corelab des HZB Veränderungen im Material während des Ladens und Entladens beobachten. Mit diesem Wissen gelang es, den Mechanismus der Ko-Interkalation im Inneren der Batterie zu analysieren. Anhand dieser neuen Erkenntnisse entwickelten sie eine erste, dem Konzeptnachweis dienende Batterie, bei der die Ko-Interkalation von Lösungsmittelmolekülen an beiden Elektroden reversibel ist.

„Wir beginnen gerade erst damit, Ko-Interkalationsbatterien zu verstehen. Es gibt durchaus einige Vorteile, die wir uns vorstellen können“, erklärt Mitautorin Dr. Katherine A. Mazzio vom HZB. „Der Prozess der Ko-Interkalation könnte die Effizienz verbessern, indem er für eine bessere Leistung bei niedrigen Temperaturen sorgt. Er könnte auch genutzt werden, um alternative Zellkonzepte zu verbessern, wie zum Beispiel die Verwendung mehrwertiger Ionen anstelle der Speicherung von Li+ oder Na+, die besonders empfindlich auf die Solvatationshülle reagieren.“

Das auf fünf Jahre angelegte Projekt SEED (Solvated Ions in Solid Electrodes: Alternative routes toward rechargeable batteries based on abundant elements) endet im Mai 2025.

Weitere Informationen:

Projekt SEED