Material für Batterien der Zukunft: Forscher haben eine Natriumverbindung identifiziert, die künftig statt Lithium in Akkus eingesetzt werden könnte. Das Material hat eine höhere Energiedichte und Kapazität als bisherige Natrium-Ionen-Akkus und könnte sogar schnelleres Laden und Entladen erlauben als Lithium. Vorteilhaft auch: Natrium ist billiger und ein reichlich vorhandener Rohstoff.
Lithium-Ionen-Akkus sind heute die wichtigsten mobilen Energiespeicher: Die wiederaufladbaren Batterien stecken in Laptops, Tablets und Handys, aber auch in Elektroautos und anderen Hightech-Anwendungen. Allerdings haben diese Akkus auch ihre Tücken: Sie können im Laufe der Zeit an Kapazität verlieren und wenn sie überhitzen, droht sogar eine Explosion. Hinzu kommt: Lithium ist teuer und gehört zu den Hightech-Rohstoffen, für die Experten schon jetzt eine zunehmende Knappheit voraussagen.
Nicht jede Natriumverbindung ist geeignet
Eine günstigere und reichlich vorhandene Alternative zum Lithium könnte Natrium sein, das im Periodensystem der Elemente auf Lithium folgende Alkalimetall. Es besitzt ähnlich wie Lithium eine relativ hohe Ionisationsneigung und erlaubt dadurch theoretisch hohe Energiedichten. Gleichzeitig aber ist Natrium in Form von Salz in der Erdkruste und in den Ozeanen reichlich vorhanden – und es könnte sogar höhere Leistungen und schnellere Ladezeiten erlauben.
Allerdings: Bisherige Natrium-Ionen-Akkus haben nur geringe Energiedichten und geben ihre Energie eher langsam ab. Forscher suchen daher nach einer Natriumverbindung, die bessere Ionen für die Kathode bereitstellt. Naoto Tanibata vom Nagoya Institut für Technologie und sein Team haben für diese Suche die Merkmale von 4.314 Natriumverbindungen mithilfe eines Computerprogramms analysiert.
Nanoröhrchen-Waben machen Ionen schneller
Und sie wurden fündig: Die Forscher identifizierten ein Natrium-Vanadium-Oxid (Na2V3O7), das sich aufgrund seiner Kristallstruktur besonders gut als Kathodenmaterial für Natrium-Ionen-Akkus eignen könnte. „Eines der Merkmale ist die Bildung eindimensionaler Nanoröhrchen aus Vanadium-Pentoxid (VO5)“, berichten die Wissenschaftler. „Diese Nanotubes bilden eine Wabenstruktur, in deren Innenräumen und an deren Rändern die Natriumionen verteilt sind.“
Tests ergaben, dass diese Struktur eine besonders schnelle Migration der Natriumionen ermöglicht. Akkus mit dieser Natriumverbindung könnten demnach sehr schnell aufgeladen und wieder entladen werden. „Wir erhielten sogar bei zehn Coulomb noch einen bemerkenswert guten Kapazitätserhalt von 64 Prozent, was einer vollen Entladung innerhalb von sechs Minuten entspricht“, so Tanibata und sein Team.
Stabil auch nach 50 Ladezyklen
Ein weiterer Vorteil: Elektroden aus dieser Natriumverbindung erwiesen sich auch als relativ haltbar: Noch nach 50 Ladezyklen blieb ihre Nanoröhrchen-Struktur intakt, wie elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten. „Die Kapazität blieb auch beim 50. Zyklus noch bei rund 94 Prozent“, berichten die Forscher. Das sei erheblich besser als bei bisherigen Natrium-Ionen-Akkus.
Allerdings: Noch liegt die praktisch gemessene Kapazität von Na2V3O7 erst bei rund der Hälfte des theoretisch erreichbaren Werts von 173 Milliampere pro Gramm. Doch die Wissenschaftler sind zuversichtlich, die Leistung des Materials noch steigern zu können. „Wir erwarten, dass die Nanopartikelsynthese dieser Verbindung die elektrochemische Performance von Natrium-Ionen-Batterien stark verbessern kann“, konstatieren sie. (Scientific Reports, 2019; doi: 10.1038/s41598-018-35608-9)
Quelle: Nagoya Institute of Technology
