Natrium-Ionen-Akku 12.03.2015

Chemiker haben eine Natrium-Ionen-Batterie hergestellt, die genauso gut funktioniert wie die Lithium-Ionen-Batterie, an die wir gewöhnt sind.

Vor einigen Jahren wurde vorgeschlagen, dass es für die Menschheit an der Zeit sei, über eine bevorstehende Verknappung nachzudenken, aber nicht über die Öl- und Gasverknappung, vor der wir normalerweise Angst haben, sondern über die Verknappung eines Alkalimetalls – Lithium. In unserem Leben gibt es immer mehr elektronische Geräte und allerlei Gadgets. Und alle, vom Mobiltelefon bis zum Elektroauto, nutzen in Batterien gespeicherte elektrische Energie. Die meisten davon sind Lithium-Ionen-Akkus. Heute ist es die häufigste Art von wiederaufladbaren Batterien. Und obwohl es in naher Zukunft unwahrscheinlich ist, dass es zu Kriegen um Lithiumvorkommen kommt, könnten ihre Kosten steigen. Und das bedeutet, dass es an der Zeit ist, über billigere Batterien nachzudenken, die andere Zellen verwenden würden. Entwickler setzen auf den nächsten Verwandten von Lithium im Periodensystem - Natrium, als ein viel häufigeres und kostengünstigeres Metall.

Warum kann man nicht einfach Lithium in einer Batterie durch Natrium ersetzen? Es geht um Atomgröße. Obwohl Lithium und Natrium in ihren chemischen Eigenschaften sehr ähnlich sind, ist das Natriumatom deutlich größer als das Lithiumatom. Und es erweist sich als kritisch für den Betrieb der Batterie. Eine Lithiumbatterie hat zwei Elektroden, eine aus Kohlenstoff oder Graphit und die andere aus einem Metalloxid wie Kobalt. Lithium-Ionen dienen als Ladungsträger zwischen den Elektroden, weshalb sie eigentlich als Lithium-Ionen-Batterien bezeichnet werden. Beim Wiederaufladen werden Lithium-Ionen von der Metalloxid-Elektrode freigesetzt und wandern zur zweiten Elektrode, die aus Kohlenstoff besteht.

Lithiumatome sind so groß, dass sie sich leicht in die Struktur der Elektrode integrieren lassen. Dieser Vorgang wird als Interkalation bezeichnet, bei der sich Metallionen zwischen die Atomlagen des Graphits „quetschen“. Beim Entladen findet der umgekehrte Vorgang statt – Lithiumionen verlassen die Graphitelektrode und kehren zur zweiten Elektrode zurück.

Der springende Punkt dieses elektrochemischen Prozesses ist nur der Einbau von Ionen in die Elektrode. Je schneller und leichter es passiert, desto größer kann die Momentanleistung sein. Wenn der Vorgang langsam ist, kann die Batterie nicht den Strom liefern, der zum Betrieb des Geräts erforderlich ist. Genau das ist die Schwierigkeit bei der Entwicklung einer Natrium-Ionen-Batterie. Eine Kohleelektrode ist nicht geeignet, da Natriumionen aufgrund ihrer Größe nur sehr ungern in die Graphitstruktur eingebaut werden.

Deshalb suchen Elektrochemiker nach Elektrodenmaterialien, die für die konventionelle Elektronik geeignet sind. Schließlich ist es möglich, eine Batterie mit Natriumionen herzustellen, und sie wird funktionieren. Der springende Punkt ist, dass sie nicht so klein, geräumig und leistungsstark wie Lithium ist. Aber Leistung und Größe sind die wichtigsten Parameter für mobile Geräte.

Ein Forscherteam um Professor Yong Lei von der Technischen Universität Ilmenau in Deutschland hat ein Material entwickelt, aus dem eine Elektrode in einer Natrium-Ionen-Batterie hergestellt werden kann, damit es Lithium in Sachen Leistung nicht nachsteht und Kapazität.

Zunächst analysierten die Chemiker, welche Eigenschaften das Elektrodenmaterial haben sollte, um eine effektive Einbringung von Natrium-Ionen zu gewährleisten. Die Wahl fiel auf konjugierte Aromaten der Klasse der trans-Stilbene. Sie besitzen die Fähigkeit zur Ladungsübertragung, sind beim Laden und Entladen der Batterie stabil und bilden intermolekulare Schichten, zwischen denen Natrium leicht eingebracht werden kann.

Chemiker testeten, wie gut eine Elektrode aus einem solchen Material funktionieren würde und es stellte sich heraus, dass bei einer mittleren Stromdichte von 1 A/g die Kapazität 160 mAh/g betragen würde, was Lithium-Ionen-Akkus in nichts nachsteht. Auch im Dauertest schneidet der Akku gut ab und hält nach 70 Lade-Entlade-Zyklen noch 400 % Kapazität. Und obwohl die kommerzielle Umsetzung des Projekts noch weit entfernt ist, weisen die erzielten Ergebnisse darauf hin, dass Natrium-Ionen-Batterien eine Lebensberechtigung haben und die bereits bekannten Li-Ionen-Batterien im Prinzip ersetzen können.