BAM entwickelt neues Anodenkonzept für Natrium-Ionen-Batterien
Natrium-Ionen-Batterien werden seit Längerem als nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien gehandelt. Einer breiten Anwendung steht bislang jedoch ein zentrales Problem im Weg: hohe Energieverluste beim ersten Ladezyklus. Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) haben nun ein neues Anodendesign vorgestellt, das sowohl Effizienz als auch nutzbare Speicherkapazität deutlich steigern soll.
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Der erste Ladevorgang einer Batteriezelle, die sogenannte Formierung, findet noch während der Produktion statt und ist entscheidend für die späteren Eigenschaften der Batterie. In diesem Prozess bilden sich an der Oberfläche der Anode Grenzschichten, die maßgeblich an den elektrochemischen Abläufen beim Laden und Entladen beteiligt sind.
„Dabei zersetzen sich Elektrolyt-Moleküle an der Anode aus hartem Kohlenstoff und dringen in dessen Poren ein“, beschreibt die BAM den Vorgang. „Sie besetzen ‚Leerstellen‘, die eigentlich für die Speicherung von Natrium-Ionen vorgesehen sind. Erst wenn sich ein stabiler Schutzfilm auf der Anode gebildet hat, kommt dieser Prozess zum Stillstand.“ Dieser Schutzfilm verhindert zwar eine weitere Zersetzung durch den Elektrolyten, bindet jedoch zugleich Natrium-Ionen und reduziert damit die nutzbare Kapazität der Batterie.
Während dieser Effekt bei Lithium-Ionen-Batterien kaum ins Gewicht fällt, stellt er bei Natrium-Ionen-Batterien eine große Herausforderung dar. Lithium-Anoden bestehen aus dichtem Graphit, auf dem sich der Schutzfilm vergleichsweise verlustarm bildet – Wirkungsgrade von rund 90 Prozent sind hier üblich. „Natrium kann jedoch nicht in Graphit eingelagert werden“, erklärt die BAM. „Deshalb wird bei diesem Batterietyp generell ein anderes Anodenmaterial benötigt und sogenannte harte Kohlenstoffe haben sich hier als die beste Wahl erwiesen – bis auf die erwähnten Nachteile beim ersten Ladevorgang.“
„Wir haben erkannt, dass sich bei Natrium-Ionen-Batterien große Speicherkapazitäten und effiziente Filmbildung nicht durch ein einzelnes Material realisieren lassen“, sagt Tim-Patrick Fellinger, Experte für Energiematerialien an der BAM. „Denn: Je besser sich ein Material für die Speicherung eignet, desto verlustreicher ist die Filmbildung.“
Um diesen Zielkonflikt zu lösen, entwickelte das Forschungsteam eine Anode mit sogenanntem Kern-Schale-Design. Der Kern besteht aus einem porösen, schwammartigen Kohlenstoff, der besonders gut zur Speicherung von Natrium-Ionen geeignet ist. Dieser wird von einer extrem dünnen Beschichtung umhüllt, die als Filter fungiert: Natrium-Ionen können sie passieren, während Elektrolyt-Moleküle daran gehindert werden, in die Poren des Kohlenstoffs einzudringen. „So bleibt die Speicherkapazität der Anode erhalten und die Batterie kann über viele Ladezyklen hinweg ihre Leistung behalten“, erläutert die BAM. Zudem basiert das Material auf Aktivkohle, die als kostengünstig und umweltfreundlich gilt.
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Die Ergebnisse aus dem Labor fallen bereits deutlich aus. Während unbeschichtete Materialien lediglich eine Anfangseffizienz von 18 Prozent erreichten, kamen die neu entwickelten Anoden auf 82 Prozent. Nach Einschätzung der BAM sind weitere Verbesserungen realistisch. Die Forschung soll im Berlin Battery Lab fortgesetzt werden, einer gemeinsamen Einrichtung von BAM, Helmholtz-Zentrum Berlin und Humboldt-Universität zu Berlin.
„Bisher wurden bei Batterien Fortschritte hauptsächlich durch Materialinnovationen auf der Kathodenseite erreicht. Hier sind wir den theoretischen Grenzen nahe. Bei Anodenmaterialien hingegen ist noch völlig ungewiss, wo diese Grenzen liegen und mit welchen innovativen Ansätzen in der Materialentwicklung – Stichwort: Advanced Materials – sich weitere Fortschritte erzielen lassen“, sagt Paul Appel aus dem Forschungsteam.
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DIGges Ding
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<p> A+, das Geschäftsreisemanagement-Magazin von AirPlus, ist ab sofort auch als App erhältlich. Nutzer können mittels Fingerstreich durch sämtliche Inhalte der gedruckten Ausgabe navigieren. Neuigkeiten und aktuelle Entwicklungen rund um das Thema Geschäftsreise, Expertenstimmen und Fallbeispiele sind einige der Inhalte, die den Kunden zur Verfügung stehen. Die kostenlose App kann ab sofort im App-Store unter dem Suchbegriff AirPlus heruntergeladen werden. Dem Nutzer stehen im Hochformat die kompletten Artikel der gedruckten Ausgabe zur Verfügung, im Querformat kann er auf zusätzliche multimediale Inhalte zugreifen. Laut Michael Wessel, Leiter Unternehmenskommunikation bei AirPlus, steht dem Kunden mit A+ nicht nur die gedruckte Ausgabe des Magazins auf dem iPad zur Verfügung, sondern ein auf das medienspezifische Nutzungsverhalten ausgerichtetes Magazin, das sich durch Mehrwert für den Kunden auszeichnet. A+ erscheint dreimal im Jahr und richtet sich an Reiseverantwortliche in Unternehmen. Zusätzlich zum Magazininhalt wird es unter der A+-App auch Studien und White Papers rund um das Thema Geschäftsreisemanagement geben; Nutzer können auf Wunsch automatisch über neue Inhalte informiert werden.</p>
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