Natrium-Leerstellen verbessern Batterieeigenschaften

17.01.2018 - Deutschland

Eine Forschungsgruppe aus Marburg, Köln und Singapur hat einen neuartigen Feststoff auf Natriumbasis hergestellt, der sich als Elektrolyt in sicheren und erschwinglichen Batterien für die Speicherung regenerativer Energien eignen könnte. Die Verbindung weist die höchste Leitfähigkeit vergleichbarer Elektrolyte auf, die bisher bekannt ist. Das Team um Professorin Dr. Stefanie Dehnen und Professor Dr. Bernhard Roling von der Philipps-Universität berichtet in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ über ihre Ergebnisse.

Keine Energiewende ohne Energiespeicherung – umweltschonende Technologien erfordern leistungsfähige Batterien. Zum Kernbestand jeder Batterie gehört ein Elektrolyt, also ein Trägermaterial, in dem sich geladene Teilchen von einem Batteriepol zum anderen bewegen. Eine wichtige Klasse solcher Materialien sind feste Elektrolyte, die nicht nur sicherheitstechnische Vorteile bieten, sondern auch ein platzsparendes Batteriedesign erlauben. „Feststoffbatterien auf der Basis von Natriumionen gelten als vielversprechende Kandidaten für die Speicherung erneuerbarer Energien, vor allem, weil natriumhaltige Rohstoffe in großer Fülle zur Verfügung stehen“, erklären die Marburger Chemikerin Stefanie Dehnen und der Marburger Chemiker Bernhard Roling, die Seniorautoren der aktuellen Studie.

Die Forschungsgruppe setzte in ihrer Suche nach einem verbesserten Batteriematerial bei Natriumverbindungen an, von denen die Wissenschaft schon seit einigen Jahren weiß, dass sie als Elektrolyte tauglich sind. Bislang scheiterten aber alle Versuche, hochreine Verbindungen der gewünschten Materialien mit ausreichend hoher Ionenleitfähigkeit zu produzieren.

Um dies endlich zu erreichen, erkundete das Team um Dehnen und Roling systematisch verschiedene Zusammensetzungen und Herstellungsbedingungen. „Hier berichten wir nun über die phasenreine Synthese der Verbindung Na11Sn2PS12, die sich als bester Natriumionen-Leiter auf Schwefelbasis erweist, der zur Zeit bekannt ist“, sagen die Autoren.

Die Gruppe klärte die Kristallstruktur des Materials auf und studierte dessen Ionenleitfähigkeit über einen weiten Temperaturbereich. Im Vergleich mit anderen Feststoffelektrolyten auf Natrium- sowie Lithiumbasis ergab sich eine bemerkenswert hohe Leitfähigkeit. „Die Erhöhung der Leitfähigkeit ist viel ausgeprägter als theoretisch vorausgesagt“, führt Chemiedoktorand Marc Duchardt aus, der Erstautor der Studie. „Dies beruht vermutlich auf dem Vorhandensein von Natrium-Leerstellen in der gegenüber den verwandten Verbindungen leicht veränderten Kristallstruktur“, vermutet das Team. Alles in allem hält die Gruppe die Verbindung für tauglich, als Elektrolyt in Feststoffbatterien für die Speicherung erneuerbarer Energien Anwendung zu finden.