BAM optimiert Anode von Natrium-Ionen-Batterien
Diese Anode soll Effizienz und Speicherkapazität „deutlich“ erhöhen, wie die BAM mitteilt. Der erste Ladevorgang einer Batteriezelle noch in der Produktion, in der Fachsprache auch Formierung genannt, ist ein sehr wichtiger Prozessschritt, da er die späteren Eigenschaften der Batteriezelle stark beeinflusst. Bei diesem ersten Ladevorgang bilden sich als Reaktionsprodukt des Anodenmaterials und des Elektrolyts die Grenzschichten auf der Oberfläche der Anode, die für die elektrochemischen Vorgänge beim Be- und Entladen sehr wichtig sind.
„Dabei zersetzen sich Elektrolyt-Moleküle an der Anode aus hartem Kohlenstoff und dringen in dessen Poren ein“, beschreibt die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung den Vorgang. „Sie besetzen ‚Leerstellen‘, die eigentlich für die Speicherung von Natrium-Ionen vorgesehen sind. Erst wenn sich ein stabiler Schutzfilm auf der Anode gebildet hat, kommt dieser Prozess zum Stillstand.“ Der Film schützt die Anode vor weiterer Zersetzung durch den Elektrolyten, verbraucht jedoch einen Teil der speicherbaren Energie, da er teils selbst aus Natrium-Ionen besteht.
Sprich: Diese Grenzschicht als Schutzfilm bindet mit den Natrium-Ionen also jene Ladungsträger, die für den Ladungstransport in der Batterie zuständig sind. Bei den heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien ist das kein großes Problem, da die Anoden aus dichtem Graphit bestehen und sich diese Schutzschicht leichter bildet – eine Lithium-Ionen-Batterie kommt ohne weiteres Zutun auf eine Effizienz von 90 Prozent. „Natrium kann jedoch nicht in Graphit eingelagert werden“, so die BAM. „Deshalb wird bei diesem Batterietyp generell ein anderes Anodenmaterial benötigt und sogenannte harte Kohlenstoffe haben sich hier als die beste Wahl erwiesen – bis auf die erwähnten Nachteile beim ersten Ladevorgang.“
„Wir haben erkannt, dass sich bei Natrium-Ionen-Batterien große Speicherkapazitäten und effiziente Filmbildung nicht durch ein einzelnes Material realisieren lassen“, erklärt Tim-Patrick Fellinger, BAM-Experte für Energiematerialien. „Denn: Je besser sich ein Material für die Speicherung eignet, desto verlustreicher ist die Filmbildung.“
Um diese Nachteile zu umgehen, hat das BAM-Team eine neuartige Anode entwickelt, die auf einem sogenannten „Kern-Schale-Design“ basiert. In dem Verfahren bildet ein poröser, Schwamm-artiger Kohlenstoff den Kern der Anode, wird aber mit einer hauchdünnen Schicht (also der Schale) überzogen, die wie ein Filter wirken soll. Die Schicht ist so ausgelegt, dass die für den Ionen-Transport gewünschten Natrium-Ionen passieren können, die Elektrolyt-Moleküle aber vom Kohlenstoff-Kern fern gehalten werden. „So bleibt die Speicherkapazität der Anode erhalten und die Batterie kann über viele Ladezyklen hinweg ihre Leistung behalten“, schreibt die BAM. Ein weiterer Vorteil: Das Material basiert auf Aktivkohle, einem günstigen und umweltfreundlichen Material – was die Technologie auch wirtschaftlich interessant macht.
Und auch die Auswirkungen im Labor sind deutlich: Die in der Studie entwickelten Materialien haben bereits jetzt eine Anfangseffizienz von 82 Prozent erreicht, während es ohne die Beschichtung nur 18 Prozent waren. Das BAM-Team hält nach eigenen Angaben weitere Fortschritte für wahrscheinlich. Die Weiterentwicklung des Anodenmaterials soll im Berlin Battery Lab (BBL) erfolgen, einer Kooperation von BAM, dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin.
„Bisher wurden bei Batterien Fortschritte hauptsächlich durch Materialinnovationen auf der Kathodenseite erreicht. Hier sind wir den theoretischen Grenzen nahe. Bei Anodenmaterialien hingegen ist noch völlig ungewiss, wo diese Grenzen liegen und mit welchen innovativen Ansätzen in der Materialentwicklung – Stichwort: Advanced Materials – sich weitere Fortschritte erzielen lassen“, so Paul Appel aus dem Team.
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