Neuartiger Superakku soll E-Autos revolutionieren

Lithium-Ionen-Akkus sind jene wiederaufladbare Batterien, die in einer Vielzahl von elektronischen Geräten, zum Beispiel E-Autos, vorkommen. Lithium ist leicht und hat den Vorteil, dass damit viel Strom gespeichert werden kann. 

Gleichzeitig ist Lithium aber begrenzt verfügbar. Nur wenige Länder liefern das weiße Metall, was zu einer ökonomischen Abhängigkeit führt und Lieferkettenprobleme zur Folge haben kann. Je nach Abbaumethode gehen mit dem Abbau von Lithium auch Umweltprobleme einher. 

Natrium hingegen ist ein Alkalimetall, das in der Erdkruste häufig vorkommt, wodurch die Produktion von Batterien günstiger gestaltet werden kann. Allerdings gehen Natrium-Akkus generell mit einer geringeren Energiedichte und Lebensdauer einher.

Forschende der University of Limerick haben nun einen Akku entwickelt, der die Stärken von Lithium- und Natrium-Akkus vereinen soll. Zum ersten Mal sollen solche Vollzellen-Dualkationenbatterien entwickelt worden sein, heißt es von den Forschenden. Die Ergebnisse der Studie wurden im Journal Nano-Energy veröffentlicht. 

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Wie ein Akku funktioniert 

Akkus ermöglichen es, chemische in elektrische Energie umzuwandeln. Das funktioniert, indem geladene Teilchen, sogenannte Ionen, im meist flüssigen Elektrolyten von der Anode zur Kathode, also vom negativen zum positiven Pol, und wieder zurück wandern.

Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus besteht die Kathode meist aus Lithium. Die Lithium-Ionen wandern dann durch den Elektrolyten zu einer Anode, die aus leitfähigen Metallen oder Mineralien, wie Graphit, besteht.

Die Dualkationenbatterie 

Die Forschenden der University of Limerick nutzten für die Anode Nanodrähte aus dem selten vorkommendem Metall Germanium - wodurch Natriumionen besser durch den Elektrolyt zur Kathode wandern, welche aus Pyrit besteht. Gleichzeitig befinden sich im Elektrolyten Lithium-Kationen, also positiv geladene Ionen.

Deshalb nennt man den von den Forschern entwickelten Akku "Vollzellen-Doppekationenbatterie". Denn bei Einzelkationen-Batterien wird nur eine Art von Kationen, beispielsweise Lithium, verwendet. 

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Doppelt so viel Energie wird gespeichert

Durch die Kombination der Eigenschaften von Lithium- und Natriumionen konnte die Batteriekapazität laut den Forschenden erhöht und die Stabilität des Akkus verbessert werden. Würde man nur Natriumionen in der Batterie verwenden, verschlechtert sich die Leistung der Batterie nach rund 50 Ladezyklen.

Mit dem dualen Elektrolyten lieferte die Batterie auch nach 540 Ladezyklen eine stabile Ladekapazität. Der duale Elektrolyt ermöglichte zudem eine Verdopplung der Kapazität, gegenüber reinen Natriumakkus. Das ist vor allem für die Reichweite von E-Autos entscheidend. 

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Lithiumionen als Ladebooster 

Zur Verbesserung des Systems kam es, weil die Lithiumionen als Kapazitätsverstärker für die Natriumionen agieren. Die Lithium- und Natriumionen arbeiten laut den Forschenden beim Laden und Entladen zusammen. Nach 1.000 Ladezyklen hatte die Batterie in den Experimenten immer noch eine Kapazität von 80 Prozent.

Laut den Forschenden könnte diese Art von Akkus ein neues Zeitalter für Elektroautos, aber auch tragbare Geräte einläuten. Durch die Dualkation erhalte ein Natriumakku mehr Kapazität und Lebensdauer, würde aber gleichzeitig seine Vorteile gegenüber Lithiumakkus behalten, günstiger und sicherer zu sein. E-Autos mit so einem Akku könnten also billiger sein, ohne dafür Reichweite gegenüber Modellen mit Lithium-Ionen-Batterie einzubüßen.

„Wir haben erstmals gezeigt, dass Natrium-Ionen-Batterien durch die Kombination von Natrium und Lithium in einem natriumdominanten Dualkationen-Elektrolyten supergeladen werden können“, sagt der an der Studie beteiligte Hugh Geaney.

Forschende wollen weitere Kombinationen testen

„Dieser Durchbruch öffnet die Tür zu nachhaltigeren, leistungsstärkeren Batteriechemien”, so Abdul Ahad, der die Studie konzipiert hat. Das System verbessere nicht nur die Energiedichte, was entscheidend für eine höhere Reichweite bei Elektroautos ist, sondern auch auch die Sicherheit. In Sachen Nachhaltigkeit können ebenso Vorteile erzielt werden, weil die Abhängigkeit von teuren und umweltschädlichen Materialien, wie Kobalt, verringert werde. 

Das Forscherteam will die Studie nun ausweiten. In Zukunft sollen weitere Materialkombinationen getestet werden. Beispielsweise sollen Anoden auf Siliziumbasis und alternative Ionenpaarungen, wie Lithium-Magnesium und Kalium-Lithium, getestet werden.