Natrium-Feststoffbatterien werden wintertauglich für Temperaturen unter 0°C

Natrium-Feststoffakkus, die als günstigere Alternative zu Lithiumbatterien gelten, kommen der Serienreife einen Schritt näher. Wissenschaftler der University of Chicago entwickelten ein neues Design, das eine entscheidende Schwachstelle beseitigt. Künftig sollen die Akkus auch bei niedrigen Temperaturen unter 0°C ihre volle Leistungsfähigkeit beibehalten. Den Durchbruch erzielten die Forschenden durch die Stabilisierung einer metastabilen Form von Natrium-Hydridoborat. Mithilfe dieser Methode erhöht sich die ionische Konduktivität und bringt Natrium in der elektrochemischen Leistung auf das Niveau von Lithium. Gleichzeitig steigert das Design die Energiedichte der Batterie, was wiederum ein wichtiger Schritt zur Alltags- und Massentauglichkeit der Natrium-Feststofftechnologie ist.

Natrium-Feststoffakkus als Schlüsseltechnologie der E-Mobilität

Da Feststoffakkus aus Natrium in der Produktion wesentlich günstiger als Lithium-Ionen-Batterien sind, gelten sie als wichtige Schlüsseltechnologie der E-Mobilität. Elektroautohersteller setzen ihre Hoffnung in die künftige Nutzung von Natrium-Feststoffbatterien, nicht zuletzt wegen einer besseren Verfügbarkeit von Natrium. Demgegenüber ist die Gewinnung von Lithium kostspieliger und schafft geopolitische Abhängigkeiten. Obwohl Lithium nicht extrem selten ist, sind die wirtschaftlich nutzbaren Vorkommen auf wenige Länder – hauptsächlich in Südamerika und Australien – konzentriert. Im Gegensatz dazu ist Natrium besser verfügbar und nahezu überall auf der Welt leicht zugänglich, beispielsweise in Form von Kochsalz. Die komplizierten Extraktionsprozesse und die teurere Lieferkette für Lithium machen die Produktion von Batterien auf Lithiumbasis somit, im Vergleich zu potenziellen Natrium-Alternativen, teurer.

Natrium vs. Lithium oder beides?

Obschon Natrium eine bessere Verfügbarkeit als Lithium hat, werden beide Ressourcen für Energiespeicherlösungen benötigt. Ying Shirley Meng, eine Forschungsbeteiligte, betont daher, dass es nicht um „Natrium gegen Lithium“ ginge. Vielmehr brauche man beides, wenn man über die Energiespeicherlösungen von morgen nachdenkt. Hierzu solle man sich vorstellen, dass dieselbe Gigafabrik Produkte auf Basis von Lithium- und Natriumchemie herstellen kann.

Demnach sind Feststoffakkus aus Natrium gut, um Strom zu speichern, aber es gibt noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Allerdings ist anzunehmen, dass das Temperaturproblem nun der Vergangenheit angehört, da die Wissenschaft einen Durchbruch erlangte

Innovatives Batteriedesign löst Temperaturproblem

Feststoffbatterien (Solid-State Batteries) nutzen feste anstatt flüssiger Elektrolyte, wobei Natrium-Feststoffakkus bislang bei Temperaturen unter 0°C deutliche Schwächen aufwiesen. Nun löste ein Forschungsteam dieses Problem durch ein innovatives Batteriedesign, das auch bei Minustemperaturen die volle Leistungsfähigkeit der Batterie sicherstellen konnte. Damit könne Natrium in Bezug auf die elektrochemische Leistung mit Lithium gleichziehen, so Erstautor Jin An Sam Oh.

Der Durchbruch gelang durch die Stabilisierung einer metastabilen Form von Natrium-Hydridoborat. Diese neuartige chemische Verbindung, deren Stabilisierungsform man noch nie zuvor für feste Elektrolyte nutze, ermöglicht eine hohe ionische Konduktivität. Das bedeutet, elektrisch geladene Teilchen können sich im Material besser bewegen, was die Batterieleistung signifikant verbessert. Da diese Technik bereits etabliert ist, sehen die Forscher großes Potenzial für die zukünftige Skalierung.

Methode und Vorteile des neuen Batteriedesigns

Zur Erzeugung des stabilen Zustands nutzte das Team eine etablierte Technik: Sie erhitzten das Natrium-Hydridoborat bis zur Kristallisation und kühlten es anschließend schnell ab, um die neu gewonnene Kristallstruktur zu fixieren. Dieser Prozess macht die Methode besser skalierbar.

Die Kombination dieser stabilisierten Form mit einer Kathode, die mit einem Festelektrolyten auf Chlorbasis beschichtet wurde, erlaubte die Herstellung dickerer Kathoden. Dickere Kathoden steigern die theoretische Energiedichte der Batterie, da in einem bestimmten Volumen mehr Energie gespeichert werden kann. Das neue Design übertrifft herkömmliche Natrium-Batterien, weil es weniger inaktive (nicht-stromspeichernde) Materialien enthält. Ferner erhöht der größere Anteil an aktiven Materialien die Energiedichte weiter und gewährleistet, dass der Akku seine Leistung selbst bei Minustemperaturen beibehält.

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