Batterien ohne kritische Rohstoffe
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
