Natrium-Ionen-Batterien haben sich als vielversprechende, nachhaltige Alternative zu den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien etabliert. Trotz dieser Aussicht stehen sie jedoch vor Herausforderungen, insbesondere was die Energieeffizienz während der ersten Ladezyklen betrifft. Wissenschaftler der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin haben nun ein bahnbrechendes Anodendesign entwickelt, das sowohl die Effizienz als auch die Speicherkapazität dieser Batterien signifikant verbessert.
Ein zentrales Problem bei Natrium-Ionen-Batterien ist der irreversible Verlust an Speicherkapazität, der bereits beim ersten Laden auftritt. Dieser Verlust wird durch chemische Reaktionen zwischen der Anode und dem Elektrolyten verursacht, der die leitfähige Flüssigkeit in der Batterie bildet. Während des Ladevorgangs zersetzen sich bestimmte Moleküle des Elektrolyten an der Anode, die aus hartem Kohlenstoff besteht. Diese Moleküle dringen in die Poren der Anode ein und besetzen die Plätze, die eigentlich für die Speicherung von Natrium-Ionen vorgesehen sind. Dieser Prozess stoppt erst, wenn sich ein stabiler Schutzfilm auf der Anode gebildet hat. Während dieser Schutzfilm vor weiterer Zersetzung schützt, bindet er gleichzeitig einige Natrium-Ionen, die für den Ladungstransport in der Batterie notwendig sind, und verringert damit die verfügbare Speicherkapazität.
Im Gegensatz zu Natrium-Ionen-Batterien haben Lithium-Ionen-Batterien dieses Problem nur in geringem Maße, da die dichte Graphit-Anode eine schnellere und effizientere Bildung dieses Schutzfilms ermöglicht. Da Natrium jedoch nicht in Graphit gespeichert werden kann, sind alternative Anodenmaterialien erforderlich, wobei harte Kohlenstoffe bisher als beste Option galten – trotz der genannten Nachteile beim ersten Ladevorgang.
Um dieses Problem anzugehen, hat das Forschungsteam von BAM ein innovatives Kern-Schale-Design für die Anode entwickelt. Laut Tim-Patrick Fellinger, einem Experten für Energiematerialien bei BAM, war es entscheidend zu erkennen, dass die Kombination von hoher Speicherkapazität und effizienter Filmbildung nicht mit einem einzigen Material realisiert werden kann. Daher wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem ein poröser, schwammartiger harter Kohlenstoff als Speichermaterial im Inneren der Anode verwendet wird. Diese Kernstruktur wird von einer dünnen Schicht umgeben, die als Filter fungiert. Diese Schicht lässt die gewünschten Natrium-Ionen passieren, während sie störende Elektrolyt-Moleküle abblockt. Dadurch bleibt die Speicherkapazität der Anode erhalten, und die Batterie kann über zahlreiche Ladezyklen hinweg ihre Leistung aufrechterhalten.
Das neue Anodenmaterial beruht auf Aktivkohle, die nicht nur kostengünstig, sondern auch umweltfreundlich ist, was die wirtschaftliche Attraktivität der Technologie erhöht. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht. Die entwickelten Materialien erreichen bereits eine Anfangseffizienz von 82 Prozent, während sie ohne die spezielle Beschichtung lediglich bei 18 Prozent liegen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Forschung ist die Möglichkeit, die Effizienz und Speicherkapazität gleichzeitig zu verbessern. Die Trennung der Prozesse, die zur Bildung des Schutzfilms führen, von denen, die für die Speicherung verantwortlich sind, ermöglicht es, diese beiden Aspekte durch unterschiedliche Materialentwicklungen zu optimieren. Bisher wurden bei Batterien Fortschritte hauptsächlich durch Innovationen auf der Kathodenseite erzielt, während bei Anodenmaterialien noch viele Fragen offen sind – es bleibt unklar, wo die theoretischen Grenzen liegen und welche neuen Ansätze in der Materialentwicklung weitere Fortschritte ermöglichen könnten.
Die Weiterentwicklung des neuartigen Anodenmaterials wird im Berlin Battery Lab (BBL) vorangetrieben, einer Kooperation zwischen BAM, dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin. Dieses Labor vereint die Expertise dieser drei Institutionen im Bereich nachhaltiger Batterietechnologien und bietet der Industrie eine Plattform, um Innovationen schneller in marktfähige Produkte umzusetzen. Die Projekte „DialySorb“ und „NMR-Batt“, in deren Rahmen das neue Anodenmaterial entwickelt wurde, erhalten Unterstützung vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt im Rahmen der nationalen Batterieforschung.
Durch diese Entwicklungen könnte die Zukunft der Energiespeicherung mit Natrium-Ionen-Batterien deutlich heller aussehen, was nicht nur technologische Fortschritte, sondern auch einen positiven Einfluss auf die Umwelt bedeutet.
