Die Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) entwickelt neue Verbundwerkstoffe als Anode für Natriumionen-Batterien. Die Technologie gilt als vielversprechende Alternative zu Lithiumionen-Speichern, die derzeit als Akkus für Elektroautos oder Solarbatterien eingesetzt werden. Denn die Lithiumvorräte auf der Erde sind zwar noch üppig aber trotzdem begrenzt. Zudem ist der Abbau in Salzseen vor allem in Südamerika teuer sowie ökologisch und sozial fragwürdig.
Nickel und Kobalt vermeiden
Dazu kommt noch, dass die Lithiumbatterien auch Kobalt und Nickel für die Elektroden benötigen – ebenfalls Metalle, die unter problematischen Bedingungen abgebaut werden, begründen die Forscher des BAM ihren Ansatz der Natriumionen-Batterie. Natrium hingegen kann leicht aus Stein- und Kochsalz gewonnen werden. Zudem ist die Natriumbatterie eine sogenannte Drop-in-Technologie. Das sind neue Lösungen, die auf die gängige Technologie übertragen werden kann. Zudem benötigen die Lithiumbatterien weder Nickel noch Kobalt.
Elektrolyt besetzt Speicherplatz
Bisher war allerdings bei dieser Technologie die Anode die Schwachstelle. Dies versuchen die Forscher an der BAM mit dem neuen Werkstoff zu lösen. „Dieses Material ist der ‚Tank‘ einer elektrischen Batterie, es soll im geladenen Zustand möglichst viele positive Natriumionen speichern können“, erklären die Forscher. „Somit ist es entscheidend für die Effizienz des Akkus.“
Das Problem: Bisher werden als Anodenmaterial sogenannte Hard Carbons verwendet. In den Poren und Gängen des ungeordneten Kohlenstoffs können sich jedoch nicht nur Natriumionen einlagern, sondern es gelangt auch Elektrolyt hinein. Dadurch sinkt die Speicherkapazität, weil die ionenleitende Flüssigkeit wertvollen Platz besetzt, der eigentlich für die Natriumionen vorgesehen ist.
Schnelle Umsetzung in industrielle Fertigung möglich
Damit sinkt auch die Effizienz des Speichers. „Es ist sehr komplex, die ideale Struktur für diese neuartigen Materialien zu finden“, weiß Tim-Patrick Fellinger. Er hat sich auf Energiematerialien spezialisiert und leitet das Verbundprojekt an der BAM. „Wir wollen dafür maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe entwickeln, die möglichst vielen Natriumionen Platz bieten, Elektrolyte aber fernhalten. Die Herausforderung ist es, ein Material zu finden, das zugleich sicher und effizient ist.“
Neben der BAM ist auch das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und die TU Berlin am Projekt beteiligt. Von Industrieseite engagieren sich mehrere Unternehmen, die sich auf Kohlenstoffmaterialien für Batterien spezialisiert haben, ebenfalls an der Entwicklung eines neuen Anodenmaterials für Natriumbatterien. Dadurch ist auch die schnelle Umsetzung in die Produktion möglich.
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