Kathoden-Innovation macht Natrium-Ionen-Batterie zu einer attraktiven Option für Elektroautos

Neues Kathodendesign könnte Wegbereiter für umweltfreundliche und kostengünstige Elektrofahrzeuge sein

12.01.2024

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Das neue Kathodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien geht auf frühere Arbeiten in Argonne zurück, die zu den Lithium-Ionen-Batterien im Chevy Volt und Bolt geführt haben. Es könnte dazu beitragen, die Versorgung mit kostengünstigen und reichlich vorhandenen Elementen für Elektrofahrzeugbatterien zu verbessern.

Wie die meisten Käufer eines neuen Fahrzeugs wissen, haben Elektrofahrzeuge in der Regel einen relativ hohen Preis. Dazu tragen vor allem die Lithium-Ionen-Batterien bei, die das Fahrzeug antreiben. Eine deutliche Senkung dieser Kosten würde uns einer umwelt- und geldbörsenfreundlichen Transportlösung näher bringen.

Forscher am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben ein neues Kathodenmaterial erfunden und patentiert, das Lithium-Ionen durch Natrium ersetzt und deutlich billiger wäre. Die Kathode ist einer der Hauptbestandteile jeder Batterie. Sie ist der Ort der chemischen Reaktion, die den Stromfluss erzeugt, der ein Fahrzeug antreibt.

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"Unser Batterieprogramm in Argonne untersucht Natrium-Ionen-Batterien schon seit mehr als einem Jahrzehnt", sagt Christopher Johnson, leitender Chemiker und Argonne Distinguished Fellow. Und unser Design für die Kathodenstruktur macht Natrium-Ionen-Batterien zu einer attraktiven Alternative für preisgünstige und nachhaltigere Elektrofahrzeuge."

Der innovative Durchbruch von Johnsons Forschungsteam, der zum Teil vom Vehicle Technologies Office des DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy finanziert wird, geht auf seine frühere Forschung mit zwei anderen Argonne Distinguished Fellows - Michael Thackeray (im Ruhestand) und Khalil Amine - an einem neuen Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien zurück. Diese Kathode ist jetzt Teil der Batterien, die den Chevy Volt und Bolt sowie andere Elektrofahrzeuge antreiben.

Bei dem früheren Kathodenmaterial handelt es sich um ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) mit einer Struktur, bei der die Atome in Schichten angeordnet sind. Diese Struktur ermöglicht ein einfaches Einfügen und Herausziehen von Lithium-Ionen zwischen den Schichten. Diese Ionen können sich somit frei von der Kathode zur Anode und zurück bewegen, um die Batterie zu laden und zu entladen.

Auf der Grundlage der Erkenntnisse aus früheren Forschungsarbeiten entwickelte Johnsons Team eine Kathode aus geschichtetem Oxid, die speziell für Natrium-Ionen-Batterien geeignet ist. Bei dieser Variante der NMC-Kathode handelt es sich um ein Natrium-Nickel-Mangan-Eisen-(NMF)-Oxid mit einer Schichtstruktur, die eine effiziente Einlagerung und Extraktion von Natrium ermöglicht. Durch das Fehlen von Kobalt in der Kathodenformel werden die mit diesem Element verbundenen Probleme in Bezug auf Kosten, Knappheit und Toxizität entschärft.

Das Interesse des Teams an Natrium-Ionen-Batterien rührt von deren zahlreichen Vorteilen her. Zwei davon sind Nachhaltigkeit und Kosten. Natrium ist von Natur aus weitaus häufiger vorhanden und kann leichter abgebaut werden als Lithium. Es kostet daher nur einen Bruchteil der Kosten pro Kilogramm und ist viel weniger anfällig für Preisschwankungen oder Unterbrechungen in der Lieferkette. Unsere Schätzungen deuten darauf hin, dass eine Natrium-Ionen-Batterie ein Drittel weniger kosten würde als eine Lithium-Ionen-Batterie", so Johnson.

Außerdem enthält das Kathodenmaterial neben Natrium vor allem Eisen und Mangan. Beide Elemente sind weltweit reichlich vorhanden und stehen nicht auf der Liste der gefährdeten Stoffe.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Natrium-Ionen-Batterien ihre Ladefähigkeit auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt beibehalten können. Damit wird einer der größten Nachteile der bestehenden Lithium-Ionen-Batterien behoben. Für Natrium-Ionen-Batterien spricht auch, dass die Technologie für das Batteriemanagement und die Herstellung bereits vorhanden ist. Das liegt daran, dass ihr Aufbau dem von Lithium-Ionen-Batterien sehr ähnlich ist.

Diese Wunderbatterie hat nur einen Haken", so Johnson. Natriummetall ist etwa dreimal so schwer wie Lithium, und das erhöht das Gewicht der Batterie erheblich. Und das zusätzliche Gewicht führt zu einer geringeren Reichweite.

Dieses Manko hat bisher verhindert, dass sich Natrium-Ionen-Batterien auf dem Markt für Elektrofahrzeuge durchsetzen konnten. Im Vergleich zu anderen Natrium-Ionen-Technologien hat die Kathode des Teams jedoch eine viel höhere Energiedichte, die ausreicht, um Elektrofahrzeuge mit einer einzigen Ladung für eine Reichweite von etwa 180 bis 200 Meilen zu betreiben.

Johnson betonte, dass die Natrium-Ionen-Batterie zwar nicht für diejenigen interessant ist, die eine große Reichweite anstreben, dass sie aber für preisbewusste Verbraucher interessant sein könnte, insbesondere für Stadtbewohner, deren tägliche Fahrten selten über diese Entfernung hinausgehen.

Ein weiteres Manko früherer Natrium-Ionen-Batterien ist ihre kurze Lebensdauer. Mit dem Kathodenmaterial des Teams können die Batteriezellen jedoch genauso viele Zyklen laden und entladen werden wie ihre Lithium-Ionen-Gegenstücke.

"Wir haben jetzt die Laborphase hinter uns gelassen und sind bereit, unsere Kathode in Batteriezellen zu testen, die denen in einer tatsächlichen Elektrofahrzeugbatterie ähneln", sagte Johnson. Diese Tests werden in der Cell Analysis, Modeling and Prototyping Facility von Argonne durchgeführt.

"Von dort aus hoffen wir, dass die NMF-Kathode dem Weg unserer NMC-Kathode folgt und für die Herstellung ausgewählt wird", sagte Johnson. Sein Team arbeitet auch an der Entwicklung verschiedener Materialien für die beiden anderen Hauptbestandteile einer Batterie - den Elektrolyten und die Anode -, um die Energiedichte noch weiter zu erhöhen.

Natrium-Ionen-Batterien haben neben dem Transportwesen noch eine weitere mögliche Anwendung. Sie eignen sich insbesondere für die Speicherung erneuerbarer Energien für den Einsatz in einem Stromnetz, wo das Gewicht der Batterie weniger ins Gewicht fällt und der Betrieb bei niedrigen Temperaturen von Vorteil ist. Batterien für Stromnetze sind ein schnell wachsender Markt für Batterien.

Das Engagement von Argonne für nachhaltige Energielösungen wird durch diesen Technologiesprung unterstrichen. Natrium-Ionen-Batterien könnten die Bedenken hinsichtlich der Verfügbarkeit von kostengünstigen Elementen für künftige Fahrzeugbatterien zerstreuen.

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