Schlüssel zu leistungsstarken und langlebigen Natrium-Ionen-Batterien entdeckt

Natrium ist das sechsthäufigste Element auf der Erde. Das macht es zu einem guten Kandidaten, um für Batterien genutzt zu werden. 

Doch wird es dort eingesetzt, kann es auch zu Problemen kommen. Dafür wollen Forscher der Tokyo University of Science nun eine Lösung gefunden haben. Die Ergebnisse haben sie in dem Journal Advanced Materials veröffentlicht. 

2 Formen von Natrium 

Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien können Akkus aus Natrium mit niedrigeren Materialkosten und einer höheren Verfügbarkeit punkten. Gleichzeitig kann es dabei zu sogenannten Stacking Faults, also Stapelfehlern kommen. 

Natriummanganoxid, das als Kathodenmaterial in Batterien verwendet wird, kommt in 2 Formen vor: α-NaMnO2 und β-NaMnO2. Diese unterscheiden sich in ihrer Kristallstruktur. Die  α-Form hat eine flache, schichtartige Struktur, zwischen denen die Natriumionen liegen. Die β-Form hingegen weist gewellte oder zickzackförmige Schichten auf. Auch hier befinden sich Natriumionen zwischen den Schichten. 

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Der Stapelfehler als Problem 

Damit man β-NaMnO2 herstellen kann, braucht man höhere Temperaturen, die dazu führen können, dass weniger Natrium enthalten ist. Es kommt also zu einer Natrium-Mangelphase. 

Möchte man die Na-Mangel-Phasen verhindern, kann es zu mehreren Defekten kommen, einer davon wird eben Stapelfehler genannt. Diese entstehen, wenn sich bestimmte Ebenen im Kristallgitter verschieben. Wird aus diesem Material eine Batterie gebaut, verliert sie bei jedem Lade- und Entladevorgang an Kapazität.  

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Lösung für Stapelfehler 

Ein Forschungsteam der Tokyo University of Science hat nun untersucht, wie man Stapelfehler bei der Verwendung von β-NaMnO2 vermeiden kann. Sie fanden heraus, dass man das Material stabilisieren kann, wenn man Kupfer hinzufügt. Man spricht hier von einer sogenannten Kupfer-Dotierung. 

"In einer früheren Studie haben wir festgestellt, dass Kupfer unter den Metalldotierungen die einzige Dotierung ist, die β-NaMnO2 erfolgreich stabilisieren kann", sagt  Professor Shinichi Komaba, der die Studie geleitet hat. Um zu testen, wie Kupfer bei der Vermeidung von Stapelfehlern helfen kann, haben die Forscher β-NaMnO2-Proben genutzt und sie mit unterschiedlich viel Kupfer versehen. 

Es wurde ein Anteil von 0 bis 15 Prozent Kupfer in die Proben eingebracht. Es zeigte sich, dass die Häufigkeit von Stapelfehlern bei einem Anteil von 12 Prozent Kupfer auf 0,3 Prozent gesunken ist. Je mehr Kupfer also eingesetzt wird, desto weniger Defekte treten auf. 

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Batterien mit Kupfer 

Diese Proben haben die Forscher dann auch in Batterien eingebaut und getestet, wie sich die Kapazität beim Laden und Entladen verändert. Die Kupfer-dotierten Proben mit 12 oder 15 Prozent Kupfer hielten deutlich länger. 

Konkret bedeutet das, dass die Proben mit einem Anteil von 12 Prozent Kupfer über 150 Zyklen ge- und entladen werden können, ohne dass es zu einem messbaren Leistungsverlust kommt. Undotierte Proben zeigten einen Kapazitätsverlust bei 30 Ladezyklen. 

"Unsere Ergebnisse bestätigen, dass auf Mangan basierende Oxide eine vielversprechende und nachhaltige Lösung für die Entwicklung von sehr langlebigen Na-Ionen-Batterien sind", sagt Komaba. Da Mangan und Natrium-Ionen relativ günstig sind, könnten durch diese Fortschritte erschwingliche Energiespeicherlösungen für eine Vielzahl von Anwendungen hergestellt werden. Damit könne auch die Akzeptanz für erneuerbare Energien gesteigert werden, heißt es von dem Forschungsteam.