Berliner BAM forscht an Natrium-Feststoffbatterien

Die Grenzen der Leistungsfähigkeit konventioneller Lithium-Ionen-Batterien sind nach übereinstimmenden Meinungen aus der Forschung bald erreicht. Denn ihre Anode, meist aus Graphit, kann nur begrenzt Ionen speichern. Eine Alternative bieten Anoden aus reinem Lithium oder dem nachhaltigeren und günstigeren Natrium. „Doch um sie sicher betreiben zu können, braucht es einen festen statt eines flüssigen Elektrolyten. Ein zentrales Problem dabei: An der Grenzfläche zwischen fester Anode und Festelektrolyt kann es zu Kontaktverlusten und Hohlräumen kommen, die die Batterie unbrauchbar machen“, ordnen die Forscher der BAM ein. Eine mögliche Lösung: eine teilweise flüssige Anode.

„Wir konnten in einer Studie zeigen, dass eine flüssige Alkalimetall-Anode hundertmal leistungsfähiger ist als herkömmliche Graphit-Anoden“, erläutert Gustav Graeber, Batteriematerial-Experte an der Humboldt Universität Berlin und Gastwissenschaftler an der BAM. „Bisher ist diese Technologie allerdings nur bei 250 Grad Celsius einsetzbar. Unser Ziel ist es, ihre Vorteile auf Raumtemperatur zu übertragen.“ Um dies zu erreichen, experimentiert das Forschungsteam mit Kalium-Zusätzen, die den Schmelzpunkt der Anode senken. Die Herausforderung dabei: Viele gängige Festelektrolyte sind nicht stabil genug gegenüber Kalium.

Die Lösung könnte dem BAM-Team zufolge in einem speziellen Festelektrolyten auf Basis von Natrium-Superionenleitern (NASICON) liegen. „Diese Materialien bieten eine hohe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur und sind gleichzeitig chemisch stabil gegenüber Kalium – insbesondere, wenn sie mit Hafnium versetzt werden. Doch Hafnium ist selten und teuer.“ Im NASICON-Projekt suchen Graeber und sein interdisziplinäres Team aus BAM-Experten deshalb nach alternativen Additiven, die ebenso leistungsfähig, aber nachhaltiger und breit verfügbar sind. Die vielversprechendsten Kandidaten werden direkt in Natriumbatterien getestet.

„Unser Forschungsprojekt ist ein entscheidender Schritt hin zu Hochleistungsbatterien, die nachhaltiger, günstiger und effizienter sind“, so Graeber. „Natrium-Feststoffbatterien könnten die Ladezeiten drastisch verkürzen und die Leistungsfähigkeit von mobilen und stationären Energiespeichern erheblich verbessern – ein wichtiger Beitrag zur Dekarbonisierung.“

Die BAM hat zusammen mit der Humboldt-Universität und dem Helmholtz-Zentrum Berlin übrigens dieser Tage erst die Gründung eines „Berlin Battery Lab“ angestoßen. Das Labor soll die Batterie-Expertise der drei Institute bündeln und auch der Industrie offen stehen.

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