Durchbruch macht Natrium-Feststoffakkus wintertauglich
Festsfoffakkus aus Natrium sind die Hoffnung vieler E-Auto-Hersteller, da sie günstiger produziert werden können als herkömmliche Lithiumbatterien. Denn Lithium ist im Vergleich zu Natrium selten, wodurch auch die Produktion von Akkus teurer wird.
Nun berichtet University of Chicago von einem Durchbruch bei der Entwicklung von Natrium-Feststoffakkus, die die Batterietechnologie einen Schritt näher zur Serienreife bringen soll.
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Die Lösung des Temperaturproblems
Feststoffakkus, auch bekannt als Solid-State Batteries, arbeiten mit festen Materialien statt flüssigen Elektrolyten. Aktuell funktionieren Feststoffbatterien aus Natrium bei Raumtemperatur und alles, was darunter ist, aber weniger gut. Das Forschungsteam hat jetzt aber dank eines neuen Batteriedesigns geschafft, dass die Akkus ihre Leistungsfähigkeit auch bei Temperaturen unter 0 behalten.
„Die Forschung trägt dazu bei, Natrium in Bezug auf die elektrochemische Leistung mit Lithium gleichzustellen”, sagt Jin An Sam Oh, Erstautor der vor kurzem veröffentlichten Studie. Um das zu erreichen, hat das Forschungsteam eine metastabile Form von Natrium-Hydridoborat, also einer chemischen Verbindung, stabilisiert.
Das sei laut den Forscherinnen und Forschern ein Durchbruch, da die Form der Stabilisierung noch nie für einen festen Elektrolyten genutzt wurde. Sie habe eine hohe ionische Konduktivität. Diese wirkt sich darauf aus, wie gut sich elektrisch geladene Teilchen im Material bewegen können, wodurch eine verbesserte Leistung ermöglicht wird.
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Bekannte Methode, neue Erkenntnisse
Um diesen Zustand zu erreichen erhitzte das Team eine metastabile Form von Natrium-Hydridoborat. Das Material beginnt dadurch zu kristallisieren. Im Anschluss wurde es schnell abgekühlt, um die Kristallstruktur kinetisch zu stabilisieren, wodurch die neu gewonnene Struktur bestehen bleibt. „Da diese Technik bereits etabliert ist, können wir sie in Zukunft besser skalieren“, sagt Oh.
Durch die Kombination dieser metastabilen Form mit einer Kathode, die mit einem Festelektrolyten auf Chlorbasis beschichtet wurde, konnte das Team dickere Kathoden herstellen. „Je dicker die Kathode ist, desto besser ist die theoretische Energiedichte der Batterie – also die Energiemenge, die in einem bestimmten Bereich gespeichert werden kann“, sagt Oh.
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Dieses Design übertreffe herkömmliche Natrium-Batterien. Das liege daran, dass weniger inaktive Materialien darin enthalten sind. Diese braucht man für gewöhnlich für den Bau der Batterien, sie speichern aber selbst keinen Strom. Dadurch, dass mehr aktive Materialien enthalten sind, die Energie speichern, kann die Energiedichte des Feststoffakkus erhöht werden. Außerdem können sie eben ihre Leistungsfähigkeit bei Raumtemperatur bis zu Minustemperaturen beibehalten.
Natrium und Lithium
„Es geht nicht um Natrium gegen Lithium. Wir brauchen beides. Wenn wir über die Energiespeicherlösungen von morgen nachdenken, sollten wir uns vorstellen, dass dieselbe Gigafabrik Produkte auf Basis von Lithium- und Natriumchemie herstellen kann“, sagte Ying Shirley Meng, die ebenfalls an der Forschung beteiligt war.
Feststoffakkus aus Natrium sind grundsätzlich gut geeignet, um Strom zu speichern. Es gibt jedoch noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Das Temperaturproblem könnte durch die Erkenntnisse der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der University of Chicago jedoch bald der Vergangenheit angehören. „Es ist noch ein langer Weg, aber was wir mit dieser Forschung erreicht haben, wird dazu beitragen, diese Möglichkeit zu eröffnen“, so Oh.