BAM-Wissenschaftler*innen suchen nach Alternativen zu Lithium-Batterien. Als vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien. Der Vorteil von Natrium: Es ist überall verfügbar.
Quelle: Adobe Stock / Kei Utsuki
Elektrische Energiespeicher sind unverzichtbar für die Energiewende: Sie treiben E-Autos an, dienen als stationäre Zwischenspeicher für den Strom aus Windrädern oder Solaranlagen und werden für viele industrielle Anwendungen genutzt. Bisher beruhen entsprechende Batterien fast ausschließlich auf der Lithium-Ionen-Technologie. Lithium hat jedoch gravierende Nachteile: Die globalen Reserven des Alkali-Metalls sind begrenzt, sein Abbau ist kostspielig und wenig umweltschonend. Zudem benötigen die Elektroden von Lithiumbatterien gegenwärtig Cobalt und Nickel, also Metalle, die ebenfalls unter problematischen Bedingungen abgebaut werden und hochgiftig sind.
Vielversprechende „Drop-in-Technologie“
Weltweit suchen Forscher*innen daher nach umweltschonenden Alternativen zu Lithium. Als besonders vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien. Sie wären eine „Drop-in-Technologie“, können also schnell auf die gängige Batterieproduktion übertragen werden. Sie benötigen zudem weder Cobalt noch Nickel. Und: Natrium ist als natürlicher Bestandteil von Kochsalz leicht verfügbar.
Als Schwachstelle von Natrium-Ionen-Batterien gilt bislang jedoch das Material des „Pluspols“, etwas vereinfacht die Anode eines Akkus. Sie ist der Tank einer elektrischen Batterie. Im geladenen Zustand soll das Anoden-Material möglichst viele positive Natrium-Ionen speichern können. Somit ist es entscheidend für die Effizienz des Akkus.
"Wenn wir mit unserem Konzept erfolgreich sind, würde dies einen großen Innovationsschub für die Natrium-Ionen-Technologie bedeuten."
Maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe als Ionen-Speicher
Statt Grafit – wie im Fall der etwas kleineren Lithium-Ionen – werden dazu bei Natrium-Ionen-Akkus bisher sogenannte Hard Carbons verwendet. Der Nachteil: In den Poren und Gängen des Kohlenstoffs können sich nicht nur Natrium-Ionen einlagern. Es gelangt auch Elektrolyt, eine ionenleitende Flüssigkeit im Innern der Batteriezelle, hinein. Das führt zu Verlusten der Speicherkapazität und beeinträchtigt die Effizienz.
Im Labor für Energiematerialien: Für die Anode einer Batteriezelle beschichtet Tim Fellinger eine dünne Aluminiumfolie mit Kohlenstoffpaste (links). In der Glovebox werden Knopfzellen zusammengebaut (rechts).
Quelle: BAM
Die BAM erforscht in einem Kooperationsprojekt alternatives Anoden-Material, um diesen Nachteil auszugleichen und die Natrium-Ionen-Technologie entscheidend voranzubringen. Angesiedelt ist das Vorhaben im Batterietestzentrum der BAM. „Es ist sehr komplex, die ideale Struktur für diese neuartigen Materialien zu finden“, erklärt Tim Fellinger, Leiter des Verbundprojekts und Experte für Energiematerialien. „Wir wollen dafür maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe entwickeln, die möglichst vielen Natrium-Ionen Platz bieten, störende Elektrolyte aber fernhalten. Die Herausforderung ist es, ein Material zu finden, das zugleich sicher und effizient ist.“
Juthaporn Wutthiprom, Alexander Appel und Tim-Patrick Fellinger (v.l.n.r.)
Quelle: BAM
Fellingers Team kooperiert dazu eng mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin, der Technischen Universität Berlin sowie mit mehreren Unternehmen, die sich auf Kohlenstoffmaterialien für Batterien spezialisiert haben. „Der schnelle Wissensaustausch mit der Industrie ist uns besonders wichtig“, so Fellinger. „Wenn wir mit unserem Konzept erfolgreich sind, würde dies einen großen Innovationsschub für die Natrium-Ionen-Technologie insgesamt bedeuten."
Weitere Informationen finden Sie in DialySorb - Kohlenstoffe als Anoden in Natrium-Ionen-Batterien