Berliner Wissenschaftlern ist im Labor ein weiterer Schritt zum Hochleistungsakku gelungen. Sie ersetzten die gängigen Graphit-Anoden durch Alkalimetall-Anoden, die hundertmal leistungsfähiger sind.
Ein Hauptproblem der Batterie-Entwicklung ist die begrenzte Speicherfähigkeit von Graphit-Anoden. Alternativen bieten Anoden aus Lithium oder dem allverfügbaren, günstigen Natrium. Sie könnten die Energiedichte um bis zu 40 Prozent steigern. Doch um solche Batterien sicher betreiben zu können, braucht es einen festen statt flüssigen Elektrolyten. Dabei kann es jedoch an der Grenzfläche zwischen fester Anode und Festelektrolyt zu Kontaktverlusten und Hohlräumen kommen, die die Batterie zerstören. Eine mögliche Lösung wäre eine teilweise flüssige Anode.
Experten der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin konnten nun in einer Studie zeigen, dass eine flüssige Alkalimetall-Anode hundertmal leistungsfähiger ist als die herkömmliche Graphit-Anode. „Bisher ist diese Technologie allerdings nur bei 250 Grad Celsius einsetzbar. Unser Ziel ist es, ihre Vorteile auf Raumtemperatur zu übertragen“, erklärt Gustav Graeber, Batteriematerial-Experte an der Humboldt Universität Berlin und Gastwissenschaftler an der BAM.
Zur Erläuterung: In einer Batterie wandern elektrisch geladene Teilchen, sogenannte Ionen, zwischen Kathode und Anode. Die Richtung ist abhängig davon, ob es sich um Aufladung oder Entladung handelt. Meist besteht die Anode aus einem Graphitgemisch, die Kathode aus einer Lithium-Kobaltverbindung. Diese Elektroden sind von einem sogenanten Elektrolyt umgeben, in der Regel eine flüssige Lösung aus Lithiumsalz. Ein Separator, oft eine Kunstoffmembran, sorgt dafür, dass nur die elektrisch geladenen Lithium-Teilchen passieren. Es gäbe sonst einen Kurzschluss.
Bringen neue Substanzen den Durchbruch?
Um die Vorteile einer flüssigen Alkalimetall-Anode nicht nur bei einer Temperatur von 250 Grad, sondern auch bei Raumwärme zu nutzen, setzten die BAM-Forscher Kalium ein. Doch Kalium destabilisiert die gängigen Festelektrolyte. Eine mögliche Lösung wäre die Verwendung von Festelektrolyten auf der Basis von sogenannten Natrium-Superionenleitern (NASICON). Diese Stoffe ermöglichen eine hohe Leitfähigkeit für die zwischen Anode und Kathode wandernden Ionen. Gleichzeitig sind sie chemisch stabil gegenüber Kalium – vor allem wenn sie mit dem Element Hafnium versetzt werden. Das Metall ist jedoch selten und teuer. Jetzt sucht das Team um Graeber nach anderen Zusatzstoffen, die ähnlich leistungsfähig, aber wohlfeiler sind.
Die am meisten geeigneten Materialien werden direkt in Natriumbatterien getestet. „Unser Forschungsprojekt ist ein entscheidender Schritt hin zu Hochleistungsbatterien“, sagt Graeber. „Natrium-Feststoffbatterien könnten die Ladezeiten drastisch verkürzen und die Leistungsfähigkeit von Energiespeichern erheblich verbessern.“ Das sei ein wichtiger Beitrag zur Dekarbonisierung.
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