Schlüssel zu effizienten Natrium-Batterien

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

• Originalveröffentlichung
  I. V. Chepkasov et al.: Alkali metals inside bi-layer graphene and MoS₂: Insights from first-principles calculations, Nano Energy 75, 104927 (2020); DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104927
• Atomistische Simulation ioneninduzierter Phänomene, Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf HZDR, Dresden