HZB-Team erschließt Schnellladepotenzial von Natrium-Ionen-Batterien

Die Studie zeigt, dass die Ko-Interkalation von Lösungsmittelmolekülen in Natrium-Ionen-Kathoden eine hohe Ladeleistung bei minimalem Kapazitätsverlust ermöglicht und neue Designstrategien für fortschrittliche Natrium-Ionen-Batterien ermöglicht. Durchgeführt unter der Leitung von Prof. Philipp Adelhelm zeigt die Studie, dass die Ko-Interkalation, die lange Zeit als nachteilig für die Batteriestabilität galt, die Leistung von Kathodenmaterialien verbessern kann.

Herkömmliche Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Batterien basieren auf Interkalation, bei der Ionen in Elektrodenstrukturen wandern. Im Gegensatz dazu ging man traditionell davon aus, dass Kointerkalation – bei der sich Ionen und Lösungsmittelmoleküle gemeinsam bewegen – zu einem schnellen Ausfall führt.

In Zusammenarbeit mit internationalen Partnern haben HZB-Forscher nun gezeigt, dass die Ko-Interkalation von Ionen und Lösungsmittelmolekülen in Kathodenmaterialien ein reversibler und schneller Prozess sein kann. Die Ergebnisse eröffnen einen Weg für effiziente Natrium-Ionen-Zellen mit hohen Ladegeschwindigkeiten. „Der Prozess der Ko-Interkalation könnte zur Entwicklung von effizienten Batterien mit sehr kurzen Ladedauern genutzt werden. Deshalb wollten wir dieses Thema genauer untersuchen“, sagt Adelhelm.

Das Team untersuchte geschichtete Übergangsmetallsulfide als potenzielle Kathodenträger. Über einen Zeitraum von drei Jahren führte Dr. Yanan Sun am HZB Volumenänderungsmessungen, Strukturstudien mit Synchrotronstrahlung an PETRA III bei DESY sowie elektrochemische Tests von Elektroden-Lösungsmittel-Systemen durch. Die Forscher identifizierten Parameter zur Vorhersage des Ko-Interkalationsverhaltens in zukünftigen Materialien.

„Der Ko-Interkalationsprozess in Kathodenmaterialien unterscheidet sich erheblich von dem in Graphitanoden“, erklärt Sun. Frühere HZB-Studien an Graphit zeigten eine reversible Natriummigration mit Glyme-Molekülen, die Anwendung als Kathode blieb jedoch unklar. In der neuen Arbeit behielten die Kathoden ihre Kapazität bei und zeigten gleichzeitig eine ungewöhnlich hohe Reaktionskinetik. „Bestimmte Kathodenmaterialien bieten einen enormen Vorteil: Die Kinetik ist superschnell, fast wie bei einem Superkondensator“, bemerkt Sun.

„Die Erforschung des Konzepts der Ko-Interkalation war äußerst riskant, da es dem klassischen Batteriewissen widerspricht. „Ich war daher dankbar, dass ich für diese Idee vom Europäischen Forschungsrat durch einen ERC Consolidator Grant gefördert wurde“, betont Adelhelm.

helmholtz-berlin.de

Dieser Artikel von Carla Westerheide ist zuerst auf unserer englischsprachigen Seite electrive.com erschienen.