Technologie

Batterien ohne kritische Rohstoffe

08.11.2022 - Konzepte für Natrium-Ionen-Batterien mit neuen Elektrolytlösungen.

Der Markt für wieder­aufladbare Batterien wächst schnell, aber die benötigten Rohstoffe sind begrenzt. Eine Alternative könnten zum Beispiel Natrium-Ionen-Batterien sein. Eine gemeinsame Forschergruppe vom Helmholtz Zentrum Berlin und von der Humboldt-Universität zu Berlin hat dafür neue Kombinationen von Elektrolyt­lösungen und Elektroden­materialien untersucht.

„Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, die auf der Speicherung von Lithium-Ionen in der positiven und negativen Elektrode der Batterie basieren, arbeiten wir mit Natrium-Ionen, wie sie auch in billigem Kochsalz vorkommen. Dazu speichern wir die Natrium-Ionen zusammen mit ihrer Solvathülle, also Lösungsmittel­molekülen aus der Elektrolytlösung, die die beiden Elektroden trennen. Damit lassen sich völlig neue Speicher­reaktionen realisieren“, erklärt Philipp Adelhelm, der die Forschungs­gruppe „operando battery analysis“ leitet, die 2020 gemeinsam von Humboldt-Universität und Helmholtz-Zentrum Berlin gegründet wurde. 

Diese Einlagerung von Ionen in Begleitung ihrer Solvatations­hülle in einem Kristallgitter bezeichnet man als Ko-Interkalation. Bislang war dieses Konzept auf die negative Elektrode der Natrium-Ionen-Batterie beschränkt. Nun ist es den Forschenden gelungen, das Konzept auf die positive Elektrode der Batterie auszuweiten. Guillermo A. Ferrero erklärt: „Mit Titandisulfid und Graphit haben wir zum ersten Mal zwei Materialien kombiniert, die während des Ladens und Entladens der Batterie dasselbe Lösungs­mittel aufnehmen und abgeben.“ Mit Operando-Messungen am Röntgen-Corelab des HZB ließen sich Verän­derungen im Material während des Ladens und Entladens beobachten und der Mechanismus der Ko-Interkalation im Inneren der Batterie analysieren. Mit diesem Wissen gelang, eine Batterie zu realisieren, bei der die Ko-Interkalation von Lösungsmittel­molekülen an beiden Elektroden reversibel ist.

„Wir beginnen gerade erst damit, Ko-Interkalations­batterien zu verstehen. Es gibt einige Vorteile, die wir uns vorstellen können“, sagt Katherine A. Mazzio. Der Prozess der Ko-Inter­kalation könnte die Effizienz verbessern, indem er eine bessere Leistung bei niedrigen Temperaturen ermöglicht. Er könnte auch genutzt werden, um alternative Zell­konzepte zu verbessern, wie zum Beispiel die Verwendung mehrwertiger Ionen anstelle der Speicherung von Li+ oder Na+, die besonders empfindlich auf die Solvatations­hülle reagieren.

HZB / JOL

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