Die Batterie der Zukunft?

Von Katharina Moser, Windhoek

Immer mehr Elektroautos bevölkern die Straßen, und der Markt für erneuerbare Energien wächst. Und mit ihm auch der Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien, die das Herzstück der E-Autos bilden und zudem zunehmend für die Speicherung erneuerbarer Energien zur Nutzung im Stromnetz in Betracht gezogen werden: Das Problem: Der globale Lithium-Verbrauch ist derart hoch, dass in den nächsten fünf bis zehn Jahren mit einer Verknappung des Lithium-Angebots gerechnet wird. Es gilt also, eine Alternative zu finden. Eine mögliche Lösung sind Natrium-Ionen-Batterien. Natrium kommt häufiger vor als Lithium, und ist deutlich kostengünstiger.

Bislang stand einer erfolgreichen Ersetzung von Lithium- zu Natrium-Ionen-Batterien eine Schwierigkeit im Weg: Die Leistung einer Natrium-Ionen-Batterie nimmt bei wiederholtem Laden schnell ab. Dafür könnte aber nun ein Forscherteam aus Argonne eine Lösung gefunden haben, das ein neues Design der Natrium-Ionenoxid-Kathode entwickelt hat, wie das Wissenschaftsportal Chemie.de berichtete.

„Ein wesentliches Merkmal beider Entwürfe ist, dass die mikroskopisch kleinen Kathodenpartikel eine Mischung aus Übergangsmetallen enthalten, zu denen Nickel, Kobalt, Eisen oder Mangan gehören können“, so Chemie.de. Wichtig sei, dass diese Metalle nicht gleichmäßig in den einzelnen Kathodenpartikeln verteilt seien. So befänden sich beispielsweise Nickel im Kern, während Kobalt und Mangan diesen Kern umgäben und eine Schale bilden. „Diese Elemente dienen unterschiedlichen Zwecken. Die manganreiche Oberfläche verleiht dem Partikel seine strukturelle Stabilität während der Lade-Entladezyklen. Der nickelhaltige Kern sorgt für eine hohe Kapazität bei der Energiespeicherung.“ Doch woran lag das Problem, dass die Batterieleistung durch wiederholtes Laden schnell abnahm? Das Problem wurde auf die Bildung von Rissen in den Partikeln während der Zyklen zurückgeführt, entstanden durch Spannungen, die zwischen der Hülle und dem Kern der Partikel auftraten.

Das Vorläufermaterial, mit dem der Syntheseprozess beginnt, ist ein Hydroxid. Neben Sauerstoff und Wasserstoff enthält es drei Metalle: Nickel, Kobalt und Mangan. Das Team stellte zwei Versionen dieses Hydroxids her: Eine, bei der die Metalle in einem Gefälle vom Kern zur Hülle verteilt sind, und zum Vergleich eine andere, bei der die drei Metalle gleichmäßig in jedem Teilchen verteilt sind. Zur Herstellung des Endprodukts erhitzte das Team eine Mischung aus einem Vorläufermaterial und Natriumhydroxid auf bis zu 600 Grad Celsius, hielt sie für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur und kühlte sie dann auf Raumtemperatur ab. Sie testeten zudem verschiedene Aufheizgeschwindigkeiten. Die Wissenschaftler aus Argonne untersuchten mithilfe von Röntgenstrahlen die genauen Veränderungen der Partikelzusammensetzung bei der Erhitzung.

Die Aufheizrate ist der kritische Faktor

„Die ersten Ergebnisse zeigten keine Risse in den gleichförmigen Partikeln, aber Risse, die sich in den Gradientenpartikeln bei Temperaturen von nur 250 °C bildeten. Diese Risse traten im Kern und an der Kern-Schale-Grenze auf und wanderten dann zur Oberfläche. Offensichtlich verursachte der Metallgradient eine erhebliche Belastung, die zu diesen Rissen führte“, so Chemie.de

„Da wir wissen, dass sich mit Gradientenpartikeln Kathoden mit hoher Energiespeicherkapazität herstellen lassen, wollten wir Wärmebehandlungsbedingungen finden, die die Risse in den Gradientenpartikeln beseitigen", so Wenhua Zuo, ein Postdoktorand in Argonne.

Das Ergebnis: Der kritische Faktor ist die Aufheizrate. Risse bildeten sich bei einer Aufheizrate, aber nicht bei einer langsameren Rate. Tests in kleinen Zellen mit Kathodenpartikeln, die mit der langsameren Rate vorbereitet wurden, behielten ihre hohe Leistung für mehr als 400 Zyklen bei. „Die Vermeidung von Rissen während der Kathodensynthese zahlt sich beim späteren Laden und Entladen der Kathode aus", so Gui-Liang Xu. „Und obwohl Natrium-Ionen-Batterien noch nicht über eine ausreichende Energiedichte verfügen, um Fahrzeuge über lange Strecken anzutreiben, sind sie ideal für den Stadtverkehr.“

Das Team arbeitet demnach nun daran, das Nickel aus der Kathode zu entfernen, was die Kosten noch weiter senken und nachhaltiger sein würde. „Die Aussichten für künftige Natrium-Ionen-Batterien scheinen sehr gut zu sein, da sie nicht nur kostengünstig und langlebig sind, sondern auch eine Energiedichte aufweisen, die mit der von Lithium-Eisenphosphat-Kathoden vergleichbar ist, die heute in vielen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden", so Khalil Amine, ein Argonne Distinguished Fellow. „Dies würde zu nachhaltigeren Elektrofahrzeugen mit hoher Reichweite führen."