Technologie

Schlüssel zu effizienten Natrium-Batterien

27.07.2020 - Doppelschichten aus Graphen lagern mehr Natriumatome ein als pures Graphit.

Batterien für Smartphones und Elektro­autos basieren heute in der Regel auf der Lithium-Ionen-Technik. Doch rund um den Globus sucht die Fachwelt nach Alternativen für deutlich kosten­günstigere Akkus. Eine Möglichkeit wäre, Lithium durch Natrium zu ersetzen, einem allgegenwärtigen und damit sehr preiswerten Element. Dafür sind aber noch diverse Hürden zu meistern. Unter anderem nimmt die Graphit-Anode der Batterie bisher zu wenig Natrium auf. Hoffnung verspricht nun eine theoretische Studie unter Feder­führung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf HZDR: Sie legt nahe, dass Doppel­schichten aus Graphen, hauch­dünnem Kohlenstoff, deutlich mehr Natrium­atome einlagern könnten als im Graphit.

Ende 2018 gelang einem Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Festkörper­forschung in Stuttgart, der Universität Ulm und des HZDR ein bemerkens­wertes Experiment: Als die Fachleute Lithium zwischen zwei dünne Graphen-Schichten einlagerten, bildete sich dazwischen nicht nur eine Lage von Lithium­atomen, sondern gleich mehrere Schichten. „Es ist so, als würde man kleine Bälle zwischen zwei Blatt Papier legen“, erläutert Physiker Arkady Krashenin­nikov. „Stopft man immer mehr Bälle hinein, werden die Papierblätter auseinander­gedrückt und lassen mehr Platz zwischen sich.“ Ein durchaus uner­wartetes Resultat. Denn bei Graphit ließ sich meist nur die Einlagerung einzelner Lithium-Lagen zwischen den hauchdünnen Kohlenstoff­schichten beobachten.

Das Team konnte den Prozess mittels ausgefeilter Computer­simulationen auch theoretisch beschreiben. Die Perspektive: Würde man statt den heute üblichen Graphit-Anoden künftig Graphen-Elektroden in Lithium-Akkus einbauen, ließen sich womöglich deutlich höhere Speicher­kapazitäten erreichen. Inspiriert von diesem Resultat widmete sich ein deutsch-russisches Team um Krashenin­nikov nun einer neuen Frage: „Wenn die Sache mit der Mehrfach-Einlagerung bei Lithium funktioniert – könnte es dann auch bei anderen Alkali­metallen klappen, speziell bei Natrium?“ Schon länger gilt Natrium als vielver­sprechender Kandidat für die Akkutechnik: Da es viel häufiger als Lithium auf der Erde vorkommt, könnten sich damit deutlich preis­günstigere Batterien fertigen lassen. Das Problem: Bisherige Prototypen funk­tionieren unter anderem deshalb noch nicht besonders gut, weil sich Natrium nur widerwillig in die Graphit­anoden begibt.

Um heraus­zufinden, ob Doppel­schichten aus Graphen womöglich das Zeug haben, deutlich mehr Natrium einzulagern, initiierte die Arbeits­gruppe eine Reihe von aufwändigen Super­computer-Simulationen. „Dank des immensen Wachstums der Rechenleistung und der Entwicklung effi­zienter Algo­rithmen haben wir heute sehr leistungs­fähige Methoden zur Hand, um neue Materialien zu untersuchen“, erklärt der Physiker. „Sie erlauben es, detaillierte Material­strukturen und Eigenschaften voraus­zusagen, ohne allzu viele Annahmen in die Berechnungen hinein­zustecken, und haben sich in ihrer Aussage­kraft als sehr zuverlässig herausgestellt.“ Das Resultat dieser Computer­experimente: Ebenso wie Lithium sollte sich auch Natrium nicht nur als eine Schicht, sondern in mehreren Lagen über­einander zwischen den Graphen-Blättchen einlagern können.

Für die Batterie­forschung ist das eine potentiell frohe Botschaft: Womöglich weist das neue Resultat die Richtung, die die Entwicklung künftiger Anoden für preis­günstige Natrium-Akkus nehmen könnte. „Unsere Arbeit ist rein theoretischer Natur, und wir erheben nicht den Anspruch, dass auf der Grundlage unserer Ergebnisse in absehbarer Zeit eine neue Batterie-Generation entwickelt wird“, betont Krashenin­nikov. „Aber vielleicht bringen unsere Resultate die Ingenieure ja auf neue, interessante Ideen.“ Ähnliches könnte für einen weiteres zwei­dimensionales Material gelten, das die Theoretiker unter die Lupe nahmen – Molybdän­disulfid (MoS2). Einerseits könnte es wie Graphen als künftiges Elektroden­material für Akkus fungieren. „Andererseits lässt es sich mit Stoffen wie Lithium oder Natrium dotieren“, erläutert Krashenin­nikov. „Und dadurch könnte man daran denken, die elektronischen Eigen­schaften von Molybdändisulfid maßzu­schneidern, zum Beispiel um das Material zu einem Supraleiter zu machen.“

HZDR / JOL

Weitere Infos

Werkzeuge für die multiphysikalische Optiksimulation

Im Web Seminar erhalten Sie einen Überblick über die Möglichkeiten, die multiphysikalische Optiksimulation bietet und eine Einführung in die praktische Umsetzung eines strahlenoptischen Simulationsprojekts.

Zur Registrierung

Welding with Civan's Ultrafast CBC-Laser: Basics, Opportunities and Challenges

The first part of the webinar will provide an overview of the fundamentals and challenges of the welding process and the features of the CIVAN CBC laser. The second part of the webinar will discuss approaches to take advantage of fast, arbitrary beam shaping to control process problems.

Zur Registrierung

Werkzeuge für die multiphysikalische Optiksimulation

Im Web Seminar erhalten Sie einen Überblick über die Möglichkeiten, die multiphysikalische Optiksimulation bietet und eine Einführung in die praktische Umsetzung eines strahlenoptischen Simulationsprojekts.

Zur Registrierung

Welding with Civan's Ultrafast CBC-Laser: Basics, Opportunities and Challenges

The first part of the webinar will provide an overview of the fundamentals and challenges of the welding process and the features of the CIVAN CBC laser. The second part of the webinar will discuss approaches to take advantage of fast, arbitrary beam shaping to control process problems.

Zur Registrierung