Längere Lebensdauer von Natrium-Ionen-Batterien in Sicht

Fortschrittliches Natrium-Ionen-Batteriekonzept überwindet technische Hürden

18.07.2022 - USA

Natrium, das billig und reichlich vorhanden ist, ist ein vielversprechender Kandidat für eine neue Batterietechnologie. Die begrenzte Leistung von Natrium-Ionen-Batterien hat jedoch ihre großtechnische Anwendung behindert.

Jetzt hat ein Forschungsteam des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums eine Natrium-Ionen-Batterie entwickelt, die in Labortests eine deutlich längere Lebensdauer aufweist. Durch eine raffinierte Veränderung der Inhaltsstoffe, aus denen der flüssige Kern der Batterie besteht, werden die Leistungsprobleme vermieden, die bisher bei Batterien auf Natriumbasis auftraten. Die in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlichten Ergebnisse liefern ein vielversprechendes Rezept für eine Batterie, die eines Tages Elektrofahrzeuge antreiben und Energie aus der Sonne speichern könnte.

"Wir haben hier im Prinzip gezeigt, dass Natrium-Ionen-Batterien das Potenzial haben, eine langlebige und umweltfreundliche Batterietechnologie zu sein", sagte der Hauptautor Jiguang (Jason) Zhang vom PNNL, ein Pionier der Batterietechnologie mit mehr als 23 patentierten Erfindungen im Bereich der Energiespeichertechnologie.

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Das richtige Salz

In Batterien ist der Elektrolyt das zirkulierende "Blut", das die Energie am Fließen hält. Der Elektrolyt bildet sich durch das Auflösen von Salzen in Lösungsmitteln, wodurch geladene Ionen entstehen, die zwischen der positiven und negativen Elektrode fließen. Mit der Zeit verlangsamen sich die elektrochemischen Reaktionen, die den Energiefluss aufrechterhalten, und die Batterie kann sich nicht mehr aufladen. Bei den derzeitigen Natrium-Ionen-Batterietechnologien läuft dieser Prozess viel schneller ab als bei ähnlichen Lithium-Ionen-Batterien.

Das PNNL-Team unter der Leitung der Wissenschaftler Yan Jin und Phung Le nahm sich dieses Problems an, indem es die flüssige Lösung und die Art des Salzes, das sie durchströmt, austauschte, um ein völlig neues Elektrolytrezept zu entwickeln. In Labortests erwies sich das neue Design als langlebig und behielt nach 300 Zyklen bei 4,2 V 90 Prozent seiner Zellkapazität, was höher ist als bei den meisten Natrium-Ionen-Batterien, über die bisher berichtet wurde.

Die derzeitige Elektrolytrezeptur für Natrium-Ionen-Batterien führt dazu, dass sich der Schutzfilm auf dem negativen Ende (der Anode) mit der Zeit auflöst. Dieser Film ist von entscheidender Bedeutung, da er den Durchgang von Natriumionen ermöglicht und die Lebensdauer der Batterie erhält. Die von PNNL entwickelte Technologie stabilisiert diesen Schutzfilm. Der neue Elektrolyt erzeugt auch eine ultradünne Schutzschicht auf dem positiven Pol (der Kathode), die zur zusätzlichen Stabilität der gesamten Einheit beiträgt.

Nicht entflammbare Technologie

Die neue, vom PNNL entwickelte Natrium-Ionen-Technologie verwendet eine von Natur aus schwer entflammbare Lösung, die zudem unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen ist und mit hohen Spannungen arbeiten kann. Ein Schlüssel zu dieser Eigenschaft ist die ultradünne Schutzschicht, die sich auf der Anode bildet. Diese ultradünne Schicht bleibt stabil, sobald sie sich gebildet hat, und sorgt für die lange Lebensdauer, über die in dem Forschungsartikel berichtet wird.

"Wir haben auch die Produktion von Gasdampf an der Kathode gemessen", sagte Phung Le, ein PNNL-Batteriechemiker und einer der Hauptautoren der Studie. "Wir fanden eine sehr geringe Gasproduktion. Dies liefert neue Erkenntnisse für die Entwicklung stabiler Elektrolyte für Natrium-Ionen-Batterien, die bei höheren Temperaturen betrieben werden können".

Im Moment liegt die Natrium-Ionen-Technologie bei der Energiedichte noch hinter Lithium zurück. Sie hat jedoch ihre eigenen Vorteile, wie Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen, Stabilität und lange Lebensdauer, die für Anwendungen in bestimmten leichten Elektrofahrzeugen und sogar für die Energiespeicherung im Netz in der Zukunft wertvoll sind.

Das Forschungsteam arbeitet weiter an der Verfeinerung seines Designs. Le merkte an, dass das Team mit anderen Designs experimentiert, um die Notwendigkeit der Verwendung von Kobalt zu verringern - und schließlich ganz darauf zu verzichten, da Kobalt giftig und teuer ist, wenn es nicht zurückgewonnen oder recycelt wird.

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