US-Forscher erhöhen Energiedichte von Natrium-Ionen-Batterien
In Abwandlung der bekannten NMC-Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien handelt es sich bei der Entwicklung des Argonne-Labors um ein Natrium-Nickel-Mangan-Eisen-Oxid (NMF). Im Vergleich zu anderen Natrium-Ionen-Technologien biete die Kathode eine viel höhere Energiedichte, die ausreiche, um Elektroautos zu Reichweiten von etwa 180 bis 200 Meilen (290 bis 320 Kilometern) pro Ladung zu verhelfen.
Bei NMC-Kathoden sind die Atome schichtweise angeordnet. Diese Struktur ermöglicht ein einfaches Einfügen und Extrahieren von Lithium-Ionen zwischen den Schichten. Basierend auf den Erkenntnissen aus insgesamt zehn Jahren Forschungsarbeit mit Natrium-Ionen-Batterien hat das Team um dem leitenden Chemiker Christopher Johnson eine geschichtete Oxidkathode speziell für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt.
NMF-Kathode soll auch Lebensdauer erhöhen
Die Schicht-Struktur der NMF-Kathode soll das effiziente Einfügen und Extrahieren von Natrium-Ionen ermöglichen, so das Argonne National Laboratory in der Mitteilung. Und da das Kathodenmaterial kein Kobalt enthält, sollen auch die „mit diesem Element verbundenen Kosten-, Knappheits- und Toxizitätsbedenken“ abgemildet werden.
Die Forscher wollen auch einen weiteren Nachteil früherer Natrium-Ionen-Batterien behoben haben: die kurze Lebensdauer. Mit dem neuen Kathodenmaterial erreichen Natrium-Ionen-Zellen eine ähnliche Anzahl an Lade-/Entladezyklen wie ihre Lithium-Ionen-Pendants. „Wir haben die Laborphase nun hinter uns gelassen und sind bereit, unsere Kathode Tests in Batteriezellen zu unterziehen, die denen in einer tatsächlichen Elektrofahrzeugbatterie ähneln“, sagt Johnson. Diese Tests werden in der Zellanalyse-, Modellierungs- und Prototyping-Einrichtung von Argonne durchgeführt.
Die Vorzüge von Natrium als Batteriematerial sind bekannt: Natrium kommt in der Natur weitaus häufiger vor und lässt sich leichter abbauen als Lithium. Dadurch kostet es nur einen Bruchteil der Kosten pro Kilogramm und ist deutlich weniger anfällig für Preisschwankungen oder Störungen in der Lieferkette. „Unsere Schätzungen gehen davon aus, dass eine Natrium-Ionen-Batterie ein Drittel weniger kosten würde als eine Lithium-Ionen-Batterie“, so Johnson. Darüber hinaus enthält das Kathodenmaterial neben Natrium überwiegend Eisen und Mangan.
Ein Punkt, den das Forscher-Team physikalisch nicht beheben kann: Natriummetall ist rund drei Mal schwerer als Lithium. Das erhöht das Gewicht der Batterie und senkt damit die Reichweite. Johnson betont, dass die Natrium-Ionen-Batterie zwar für diejenigen, die große Reichweiten suchen, möglicherweise nicht attraktiv sei, sie jedoch preisbewusste Verbraucher anziehen könnte, insbesondere Stadtbewohner, deren tägliche Fahrt eine Distanz von 300 Kilometern selten überschreitet.
Mit der höheren Energiedichte der Kathode ist den US-Forschern bereits ein wichtiger Schritt gelungen, Natrium-Ionen-Batterien für mehr Fahrzeugsegmente attraktiv zu machen. Johnsons Team arbeitet laut der Mitteilung bereits daran, neue Materialien für die beiden anderen Hauptkomponenten einer Batterie – den Elektrolyten und die Anode – zu entwickeln, um die Energiedichte noch weiter zu steigern.
Update 30.09.2024: Die Forscher des Argonne National Laboratory melden Fortschritte bei der Entwicklung ihres neuen Kathodenmaterials für Natrium-Ionen-Batterien. Sie geben an, ein zentrales Problem überwunden zu haben, das sich darin zeigt, dass die Energiespeicherkapazität der natriumhaltigen Kathode bei wiederholtem Entladen und Laden rapide abnimmt. Dies sei auf Risse in den Kathodenpartikeln während des Syntheseprozesses zurückzuführen, so die Wissenschaftler. Und: Dies konnten sie „durch bestimmte Wärmebehandlungen verhindern“.
Der am Projekt beteiligte Chemiker Gui-Liang Xu kommentiert: „Natrium-Ionen-Batterien entwickeln sich aufgrund des größeren Vorkommens und der niedrigeren Kosten von Natrium zu einer überzeugenden Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien.“ Das Team arbeite nun daran, das Nickel aus der Kathode zu entfernen, was die Kosten noch weiter senken und nachhaltiger sein würde.
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