Neue Natrium-Ionen-Batterien

Eine neue Studie in Nature Materials zeigt das enorme Potenzial der Ko-Interkalation, um Natrium-Batterien effizienter und schneller zu machen. Die Funktionalität von Batterien basiert auf der Interkalation – dem Austausch und der Speicherung von Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden. Bei der Ko-Interkalation erfolgt die Speicherung von sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmolekülen in den Elektrodenmaterialien. Dies galt bislang als ungünstiger Prozess, doch nun haben Forschende herausgefunden, dass eben jene Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien für mehr Effizienz und eine schnellere Ladefähigkeit sorgt. Entscheidend ist jedoch das Vorhandensein von geeigneten Kathodenmaterialien.

Ansatz für effizientere und schnellere Batterien

Das internationale Forscherteam unter der Leitung von Philipp Adelhelm fand heraus, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit geeignetem Kathodenmaterial funktionieren kann. Dieser neue wissenschaftliche Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Wie leistungsstark eine Batterie letztendlich ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Im Rahmen dessen geht es um die Speicher- und Freisetzungsfähigkeit von Ionen in den Elektrodenmaterialien. Als große Ladungsträger verursachen Natrium-Ionen bei der Einwanderung in die jeweilige Elektrode eine unerwünschte Volumenänderung – die sogenannte Atmung. Die sorgt dafür, dass die Batterie eine kürzere Lebensdauer hat. Wandern Natrium-Ionen mit Molekülen aus dem organischen Elektrolyten in Elektrodenmaterialien ein, ist die Volumenänderung noch größer.

Ko-Interkalation in Grafitanoden

In der Vergangenheit untersuchte das Forscherteam die Ko-Interkalation in Grafitanoden und bewies, dass Natrium in Verbindung mit Glyme-Molekülen in der Lage ist, über viele Zyklen hinweg, schnell und reversibel in den Elektrolyten hinein- und herauszuwandern. Bislang war dies aber nicht auf Kathodenmaterial anwendbar, daher untersuchten Forscher nun ein passendes Konzept für Kathodenmaterialien aus geschichteten Übergangsmetallsulfiden. Diese Entwicklung ist wichtig, da man dadurch in Zukunft effizientere Batterien mit kurzen Ladezeiten herstellen könnte.

Anhand der Studienergebnisse aus den letzten drei Jahren konnten die Forschenden die entscheidenden Parameter identifizieren, die eine Modellierung der Ko-Interkalationsreaktionen möglich machen. Dabei unterscheidet sich der Ko-Interkalationsprozess in Kathodenmaterialien erheblich von dem in Grafitanoden. Obschon der Prozess die Kapazität in Grafitanoden reduziert, ist der Verlust in den untersuchten Kathodenmaterialien äußerst gering. Zudem bieten spezifische Kathodenmaterialien einen wesentlichen Vorteil, denn die Kinetik ist fast so schnell wie bei einem Superkondensator.

Ko-Interkalation eröffnet neue Wege für Batterien

Die Untersuchung des Ko-Interkalationskonzepts galt als ein heikles Unterfangen, da es traditionelle wissenschaftliche Erkenntnisse darin kein Potenzial sahen und widersprüchlich war. Daher bedankt sich Adelhelm beim Europäischen Forschungsrat für die Förderung seiner riskanten Idee zur Ko-Interkalation mittels eines ERC Consolidator Grants. Ferner betont er, dass die Forschungsergebnisse das Resultat der Zusammenarbeit talentierter Wissenschaftler sowie der Unterstützung durch das Helmholtz-Zentrum Berlin und die Humboldt-Universität sind. Ebenso biete das kürzlich angekündigte Berlin Battery Lab zwischen HZB, HU und BAM noch weitere Möglichkeiten für gemeinsame Forschungsprojekte in Berlin. Adelhelm erklärt auch:

„Die wahre Schönheit der Ko-Interkalationsreaktionen liegt in der riesigen „chemischen Landschaft“, die sich damit für die Entwicklung neuartiger Schichtmaterialien für vielfältige Anwendungen aufspannt.“

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