Princeton-Universität meldet Fortschritte bei Natrium-Ionen-Batterien
Natrium-Ionen-Batterien sind für Elektrofahrzeuge interessant, weil Natrium anders als Lithium als unkritischer Rohstoff gilt, der gut verfügbar, preiswert und sehr sicher ist. Und anders als bei Lithium, dessen Lieferkette von asiatischen Firmen dominiert wird, könnten Natrium-Ionen-Batterien eine wichtige Rolle dabei spielen, den westlichen Batterie-Bedarf nachhaltig zu decken und die Versorgung sicherzustellen. Deshalb unterhalten unter anderem Deutschland und die USA entsprechende Forschungsprogramme.
Unabhängig davon haben Forschende der Princeton-Universität in New Jersey nun einen wichtigen Fortschritt im Bereich Natrium-Ionen-Batterien erzielt. Mit finanzieller Unterstützung von Volkswagens italienischer Sportwagenmarke Lamborghini hat ein Forscherteam um Prof. Mircea Dincă ein organisches, hochenergetisches Kathodenmaterial zur Herstellung von Natrium-Ionen-Batterien entwickelt. Dieses soll die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass diese Technologie auf den Markt kommen kann.
Zwar haben Wissenschaftler schon in der Vergangenheit bei Natrium-Ionen-Batterien einige Fortschritte erzielt, doch gibt es vor allem wegen ihrer geringen Energiedichte Hindernisse: Natrium-Ionen-Batterien haben bislang im Verhältnis zu ihrer Größe eine kürzere Nutzungsdauer. Neben der Energiedichte selbst ist zudem auch die Leistungsdichte eine große Herausforderung bei Natrium-Ionen-Batterien.
Das von Dincă und seinem Team nun vorgestellte Kathodenmaterial, ein geschichteter organischer Feststoff namens Bis-Tetraaminobenzochinon (TAQ abgekürzt), soll herkömmliche Lithium-Ionen-Kathoden sowohl bei der Energie- als auch bei der Leistungsdichte übertreffen und ist laut der Hochschule zugleich skalierbar.
Das Labor von Dincă hatte bereits im vergangenen Jahr eine Lithium-Ionen-Batterie mit TAQ vorgestellt und hat seitdem daran gearbeitet, die Technologie auf Natium-Ionen-Batterien anzupassen und zu optimieren. „Das von uns gewählte Bindemittel, Kohlenstoffnanoröhren, erleichtert die Vermischung von TAQ-Kristalliten und Rußpartikeln, was zu einer homogenen Elektrode führt“, sagt Tianyang Chen, Erstautor der Studie . „Die Kohlenstoffnanoröhren wickeln sich eng um die TAQ-Kristalliten und verbinden sie miteinander. Beide Faktoren fördern den Elektronentransport innerhalb der Elektrodenmasse und ermöglichen eine fast 100-prozentige Nutzung des aktiven Materials, was zu einer fast theoretischen Maximalkapazität führt.“ Das soll unter anderem zu einer besseren Ladeleistung führen.
„Jeder kennt die Herausforderungen, die sich ergeben, wenn man für etwas so Wichtiges wie Batterien nur begrenzte Ressourcen zur Verfügung hat, und Lithium gilt in vielerlei Hinsicht als ‚begrenzt‘“, sagt Mircea Dincă. Es sei besser, ein diversifiziertes Portfolio für diese Materialien zu haben. „Natrium ist buchstäblich überall. Für uns ist es einer unserer größten Forschungsträume, Batterien zu entwickeln, die aus wirklich reichlich vorhandenen Ressourcen wie organischem Material und Meerwasser hergestellt werden“, so Dincă weiter.
Der Batterieforscher ergänzt: „Die Energiedichte ist ein Thema, das viele Leute beschäftigt, denn sie ist gleichzusetzen mit der Menge an Saft in einer Batterie. Je höher die Energiedichte, desto weiter fährt das Auto, bevor man es wieder aufladen muss. Wir haben mit Nachdruck darauf geantwortet, dass das von uns entwickelte neue Material die größte Energiedichte hat, jedenfalls pro Kilogramm, und dass es sogar auf volumetrischer Basis mit den besten Materialien konkurriert.“
Die von Lamborghini finanzierte Forschungsarbeit des Labors mit dem Titel „High-Energy, High-Power Sodium-Ion Batteries from a Layered Organic Cathode“ erscheint diesen Monat im Journal of the American Chemical Society (JACS).
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