Berliner Forschung zur Stabilität von Natrium-Ionen-Akkus
Natrium-Ionen-Akkus haben noch eine Reihe von Schwachstellen, die aus Sicht von Forschern des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und der Humboldt-Universität zu Berlin durch die Optimierung von Batteriematerialien behoben werden könnten. Eine Option ist die Dotierung des Kathodenmaterials mit Fremdelementen – in Berlin konkret untersucht wurden Scandium und Magnesium. Dabei entdeckte das Wissenschaftsteam zwei konkurrierende Mechanismen, die über die Stabilität der Kathoden entscheiden.
Als Ausgangspunkt der Forschung diente die Erkenntnis, dass für Natrium-Ionen-Batterien grundsätzlich Kathodenmaterialien aus geschichteten Übergangsmetalloxiden mit den Elementen Nickel und Mangan (NMO-Kathoden) besonders vielversprechend sind. Denn sie bilden Wirtsstrukturen, in denen die Natrium-Ionen während der Entladung gespeichert und beim Laden wieder freigesetzt werden können. „Dabei besteht jedoch die Gefahr von chemischen Reaktionen, die zwar zunächst die Kapazität verbessern, dann aber lokale Strukturveränderungen auslösen und so das Kathodenmaterial degradieren“, heißt es in einer begleitenden Mitteilung des HZB.
An dieser Stelle kommt die Dotierung des Kathodenmaterials mit fremden Elementen ins Spiel. Dabei wählten die Forscher Elemente aus, die ähnliche Ionenradien wie Nickel (Ni2+) besitzen, aber einen unterschiedlichen Valenzzustand, sprich: Magnesium (Mg2+)-Ionen oder Scandium-Ionen (Sc3+).„Die Ergebnisse haben uns überrascht“, so Dr. Katherine Mazzio, die in der gemeinsamen Forschungsgruppe Operando-Batterie-Analyse am HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin arbeitet. Obwohl die Dotierung mit Scandium zu weniger Strukturveränderungen während des elektrochemischen Zyklus führte als die Dotierung mit Magnesium, verbesserte sie die Stabilität nicht. „Bisher dachte man, dass die Unterdrückung von Phasenübergängen (und damit von Volumenänderungen) auch die Leistungsfähigkeit des Kathodenmaterials über viele Zyklen hinweg verbessern würde. Aber das ist nicht genug“, so die Schlussfolgerung.
Die Dotierung mit Magnesium unterdrückte die Sauerstoff-Redoxreaktion in NMO noch stärker. Dies war laut den Forschern ebenfalls unerwartet, da Magnesium dafür bekannt ist, eine Sauerstoff-Redox-Reaktion in geschichteten Manganoxiden auszulösen. „Wir haben verschiedene Mg/Ni-Verhältnisse in NMO analysiert und festgestellt, dass die Sauerstoff-Redoxreaktion bei einem Verhältnis nahe 1 ein Minimum erreicht“, erklärt Mazzio. „Nur durch die Kombination von diesen unterschiedlichen Röntgentechniken konnten wir zeigen, dass nicht nur die Unterdrückung von Phasenübergängen wichtig ist, um die langfristige Zyklen-Stabilität zu sichern, sondern dass auch das Zusammenspiel zwischen der Redoxaktivität von Nickel und Sauerstoff die Leistung bestimmt.“
0 Kommentare