Schwedische Forscher haben dank einer molekularfeinen Stapeltechnik die Kapazität von Natrium-Ionen-Zellen erheblich erhöht. Natrium ist, anders als das in herkömmlichen Antriebsbatterien verwendete Lithium, auf der Erde reichlich vorhanden und einfach zu gewinnen. Das Geheimnis der neuen Zellen sind sogenannte Janus-Graphen.
Diese Graphen werden nach doppelgesichtigen, römischen Gottheit des Anfangs und Endes benannt, weil sie über eine asymmetrische Funktionalisierung auf den jeweils gegenüberliegenden Seiten verfügen. Auf der Oberseite jedes Graphenblattes befindet sich ein Molekül, das sowohl als Abstandshalterwie auch als Interaktionstelle für die Natrium-Ionen dient.
Den Forschern der Chalmers tekniska högskola (Technischen Hochschule Chalmers) ist es gelungen, das herkömmliche Graphit in der Batterie durch das neuentwickelte Graphen zu ersetzen. Graphit gilt als begrenzender Faktor in der Natrium-Ionen-Technik. Natrium-Ionen sind größer als Lithium-Ionen und können deshalb in der Graphitstruktur nicht effizient gelagert werden. Die kontrollierte Ionenwanderung zwischen den beiden Polen Anode und Kathode und die Möglichkeit der Ionen-Einlagerung ist aber entscheidend für die Leistungsfähigkeit von Batterien.
Deutlich höhere Kapazität
Graphen, das die Forscher in Chalmers verwendeten, gilt als der Hoffnungsträger der Batterieentwicklung. Anders als ordinäres Graphit handelt es sich bei Graphen (Aussprache: Grafeen) nicht um eine Anhäufung von Kohlenstoffatomen, sondern um nur eine Atomlage mit wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen. “Wir haben ein Molekül als Abstandshalter auf einer Seite der Graphenschicht angebracht. Wenn die Schichten übereinander gestapelt werden, schafft das Molekül einen größeren Raum zwischen den Graphenblättern und bietet einen Interaktionspunkt, was zu einer deutlich höheren Kapazität führt”, sagt Chalmers-Forscher Jinhua Sun und Erstautor der Studie.
Normalerweise liegt die Kapazität der Natriumeinlagerung in Standardgraphit bei etwa 35 Milliamperestunden pro Gramm. Das ist weniger als ein Zehntel der Kapazität in herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus auf Graphit-Basis. Mit dem neuartigen Janus-Graphen beträgt die spezifische Kapazität für Natriumionen 332 Milliamperestunden pro Gramm und nähert sich damit dem Wert der Lithium-Technik. Die Ergebnisse zeigen auch eine hohe Zyklenstabilität.
Vielversprechende Ergebnisse
Es sei aufregend gewesen, zu beobachten, dass die Natrium-Ionen-Technik mit dem Einsatz des Janus-Graphens einer so hohe Kapazität ermöglicht habe, sagt Aleksandar Matic vom Fachbereich Physik in Chalmers. “Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend. Sie zeigen, dass es möglich ist, Graphenschichten in einer geordneten Struktur zu entwerfen, die für Natriumionen geeignet ist.”
Das Janus-Material ist zwar noch weit von industriellen Anwendungen entfernt. Die Ergebnisse der schwedischen Entwicklung zeigen jedoch, dass sich die ultra-dünnen Janus-Graphenblätter und der winzige Raum zwischen ihnen für eine Energiespeicherung mit hoher Kapazität eignen. Sie eröffnen damit einen Weg, künftige Lithium-Engpässe auf den Weltmärkten und die damit verbundenen Abhängigkeiten zu umgehen.
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