Ist Natrium das neue Lithium?

Ein Kandidat für die künftige „Superbatterie“ nutzt ein Element, das im Periodensystem gleich unter dem Lithium steht: Natrium. Dieses Alkalimetall ist als Kochsalz (NaCl) in der Erdkruste und in den Weltmeeren reichlich vorhanden. Nachschub an diesem Material zu erzeugen, wäre daher ein Leichtes und doch dazu günstig.

Die Vor- und Nachteile des Natriums

Doch wie sieht es mit den elektrochemischen Eigenschaften des Natriums aus? Im Prinzip besitzt es ähnlich wie Lithium eine relativ hohe Ionisationsneigung und ermöglicht dadurch hohe Leistungen und schnelle Ladezeiten – theoretisch. Allerdings sind die Ionen des Natriums um die Hälfte größer als die des Lithiums, weshalb man bestehende Batteriekonzepte nicht einfach 1:1 auf Natrium-Ionen-Akkus anwenden kann. Sowohl an der Kathode wie der Anode sorgt das Natrium bislang für Komplikationen.

Zwar könnte man als Kathode analog zum Lithium-Kobaltoxid einfach Natrium-Kobaltoxid nehmen. Doch die Anlagerung der Natrium-Ionen an diese Elektrode ist elektrochemisch weniger effizient. Zudem lagern sich dort relativ schnell inaktive Natriumkristalle ab, die die Bewegung der Ionen behindern. Ein solcher Akku macht dadurch schon nach wenigen Ladezyklen schlapp. Um dieses Problem zu lösen, suchen mehrere Forscherteams nach neuen, besser geeigneten Kathodenmaterialien und Strukturen – mit ersten vielversprechenden Ergebnissen.

Nanoröhrchen als Helfer

Ein Team um Naoto Tanibata vom Nagoya Institut für Technologie hat 2018 mithilfe eines Computerprogramms mehr als 4.300 verschiedene Natriumverbindungen auf ihre Eignung als Kathodenmaterial für Natrium-Akkus hin analysiert. Dabei wurden sie fündig: Ein Natrium-Vanadium-Oxid (Na2V3O7) besitzt eine aus Nanoröhrchen bestehende Kristallstruktur, die eine besonders schnelle Migration der Natrium-Ionen ermöglicht. „Diese Nanotubes bilden eine Wabenstruktur, in deren Innenräumen und an deren Rändern die Natriumionen verteilt sind“, erklärt Tanibata.

Akkus mit dieser Natriumverbindung könnten demnach sehr schnell aufgeladen und wieder entladen werden. Im Test dauerte eine Ladung nur rund sechs Minuten. 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.

…oder doch Schichten?

Ein anderes Kathodendesign haben Forscher um Yuehe Lin von der Washington State University entwickelt. Sie kombinierten eine geschichtete Elektrode aus einem Mangan-, Kobalt- und Nickelhaltigen Metalloxid mit einem flüssigen Elektrolyten, der besonders viele Natrium-Ionen liefert. Ihr Akku erreichte eine ähnliche Kapazität wie einige Lithium-Ionen-Akkus, wie die Wissenschaftler berichten. Zudem behielt er auch nach mehr als 1.000 Ladezyklen noch bis zu 80 Prozent seiner Leistung.

„Das ist eines der besten Ergebnisse, die je mit einer Natrium-Ionen-Batterie mit geschichteter Kathode erreicht wurden“, sagt Lin. „Das zeigt, dass dies eine durchaus praktikable Technologie ist, die mit Lithium-Ionen-Akkus vergleichbar ist.“ Das Team arbeitet bereits daran, ihre Kathode soweit zu optimieren, dass sie auch ohne Kobalt funktioniert. „Wenn wir machbare Alternativen für Lithium und für Kobalt finden, dann wäre die Natriumbatterie wirklich konkurrenzfähig“, sagt Lins Kollege Junhua Song.

Polymere als Kathodenmaterial

Noch bessere Kandidaten für die Kathoden künftiger Natrium-Ionen-Akkus könnten organische Verbindungen sein – beispielsweise leitfähige Polymere. Ein Team um Chunsheng Wang von der University of Maryland hat 2019 eine Kathode aus polymerisiertem Hexaazatrinaphthalen (PHATN) getestet, einem Material aus vielen aneinandergelagerten Ringmolekülen. Die Lücken in diesem Polymer ermöglichen es selbst größeren Metallionen wie Natrium, Magnesium oder Aluminium, sich schnell ein- und wieder auszulagern.

Ein Natrium-Akku mit dieser Polymer-Kathode arbeitete bei Spannungen bis zu 3,5 Volt stabil und behielt eine Kapazität von mehr als 100 Milliamperestunden pro Gramm selbst nach 50.00 Ladezyklen, wie die Forscher im Fachmagazin „Angewandte Chemie“ berichteten. Sie sehen in solchen Polymer-Elektroden eine vielversprechende Lösung für schnellladende, stabile und leistungsfähige Akku-Kathoden.

Doch die Kathode ist nicht das einzige Problem…