Natrium ist das neue Lithium

Forscher finden Weg zur Leistungssteigerung von Natrium-Ionen-Batterien

Forscher des Nagoya Institute of Technology (NITech) in Japan haben gezeigt, dass ein bestimmtes Material als effiziente Batteriekomponente für Natrium-Ionen-Batterien dienen kann, die mit Lithium-Ionen-Batterien um mehrere Batterieeigenschaften, vor allem die Ladegeschwindigkeit, konkurrieren. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien derzeit beliebt sind, wird erwartet, dass eine neue Form der Energiespeicherung bald gefunden wird, denn Lithium ist nicht nur teuer, sondern auch begrenzt. Die Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, dass die Natrium-Ionen-Batterie eine attraktive Alternative für die Lithium-Ionen-Batterien sein wird. Sie wurden im November 2018 unter Federführung von Naoto Tanibata, Ph.D., Assistenz-Professor am NITech-Department of Advanced Ceramics in wissenschaftlichen Berichten veröffentlicht).

Die beliebten Lithium-Ionen-Batterien haben mehrere Vorteile – sie sind wiederaufladbar und haben ein breites Anwendungsspektrum. Sie werden in Geräten wie Laptops und Handys sowie in Hybrid- und Vollelektroautos eingesetzt. Das Elektrofahrzeug – wichtige Technologie zur Bekämpfung der Umweltverschmutzung in ländlichen Gebieten und zur Einführung eines sauberen und nachhaltigen Verkehrs – ist ein wichtiger Akteur bei den Bemühungen zur Lösung der Energie- und Umweltkrise. Ein Nachteil von Lithium ist die Tatsache, dass es eine begrenzte Ressource ist. Es ist nicht nur teuer, sondern auch (technisch) begrenzt (durch den Trocknungsprozess). Angesichts der gestiegenen Nachfrage nach batteriebetriebenen Geräten und vor allem Elektroautos wird es immer dringlicher, eine Alternative zu finden – eine, die sowohl billig als auch reichlich vorhanden ist.

Natrium-Ionen-Batterien sind aus mehreren Gründen eine attraktive Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Natrium ist keine begrenzte Ressource – es ist sowohl in der Erdkruste als auch im Meerwasser reichlich vorhanden. Außerdem haben naturbasierte Komponenten die Möglichkeit, bei entsprechendem Kristallstrukturdesign eine wesentlich kürzere Ladezeit zu erreichen. Natrium kann jedoch nicht einfach gegen Lithium aus den aktuellen Batteriematerialien ausgetauscht werden, da es eine größere Ionengröße und eine etwas andere Chemie hat. Daher sehen sich die Forscher herausgefordert, unter vielen Kandidaten das beste Material für eine Natrium-Ionen-Batterie durch Trial-and-Error-Ansatz zu finden.

Die Wissenschaftler vom NITech haben einen rationalen und effizienten Weg gefunden, um dieses Problem zu lösen. Nach der Extraktion von etwa 4.300 Verbindungen aus der Kristallstrukturdatenbank und einer Hochdurchsatzberechnung dieser Verbindungen erzielte eine von ihnen günstige Ergebnisse und war daher ein vielversprechender Kandidat für eine Natrium-Ionen-Batteriekomponente. Die Forscher identifizierten, dass ein Natrium-Vanadium-Oxid (Na2V3O7) eine wünschenswerte elektrochemische Leistung sowie Kristall- und Elektronikstrukturen aufweist. Diese Verbindung zeigt eine schnelle Ladeleistung, da sie innerhalb von sechs Minuten stabil geladen werden kann. Zudem zeigten die Forscher, dass die Verbindung zu einer langen Akkulaufzeit führt.

In einer anorganischen Kristallstrukturdatenbank wurden etwa 4.300 Verbindungen einer Hochdurchsatzberechnung für Na-Migrationsenergien unterworfen, wobei Natriumvanadiumoxid tatsächlich eine ausgezeichnete Hochleistungsfähigkeit und zyklische Beständigkeit aufwies; im Detail besaß die Verbindung einen stabilen 10C-Zyklus, was der Rate von nur sechs Minuten bei voller Auf- und Entladung und einer Kapazitätserhaltung von ca. 94 Prozent nach 50 Auf- und Entladezyklen bei Raumtemperatur entspricht. Diese Ergebnisse sind vergleichbar mit oder besser als repräsentative Kathodenmaterialien für Natriumionenbatterien. Quelle © NITech

“Unser Ziel war es, die größte Hürde für Großbatterien in Anwendungen wie Elektroautos zu überwinden, die stark auf lange Ladezeiten angewiesen sind. Wir haben uns dem Problem mit einer Suche genähert, die genügend effiziente Materialien liefert, um die Leistung einer Batterie zu erhöhen.” (Tanibata)

Trotz der günstigen Eigenschaften und der insgesamt erwünschten Auswirkungen auf Natrium-Ionen-Batterien fanden die Forscher heraus, dass Na2V3O7 in den letzten Ladestufen eine Verschlechterung erfuhr, die die praktische Speicherkapazität auf die Hälfte der theoretischen begrenzt ist. Daher wollen die Forscher in ihren zukünftigen Experimenten die Leistung dieses Materials verbessern, damit es über die gesamte Dauer der Ladestufen stabil bleibt. “Unser oberstes Ziel ist es, eine Methode zu etablieren, die es uns ermöglicht, Batteriematerialien durch eine Kombination aus rechnerischen und experimentellen Methoden effizient zu entwerfen”, ergänzt Tanibata.

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