Die Grenzen der Leistungsfähigkeit konventioneller Lithium-Ionen-Batterien sind erreicht: Ihre Anode, meist aus Graphit, kann nur begrenzt Ionen speichern. Eine Alternative bieten Anoden aus reinem Lithium oder dem nachhaltigeren und günstigeren Natrium – sie könnten die Energiedichte um bis zu 40 Prozent steigern. Doch um sie sicher betreiben zu können, braucht es einen festen statt eines flüssigen Elektrolyten. Ein zentrales Problem dabei: An der Grenzfläche zwischen fester Anode und Festelektrolyt kann es zu Kontaktverlusten und Hohlräumen kommen, die die Batterie unbrauchbar machen. Eine mögliche Lösung: eine teilweise flüssige Anode.
Flüssige Alkalimetall-Anode
„Wir konnten in einer Studie zeigen, dass eine flüssige Alkalimetall-Anode hundertmal leistungsfähiger ist als herkömmliche Graphit-Anoden“, erklärt Gustav Graeber, Batteriematerial-Experte an der Humboldt Universität Berlin und Gastwissenschaftler an der BAM.
„Bisher ist diese Technologie allerdings nur bei 250 °C einsetzbar. Unser Ziel ist es, ihre Vorteile auf Raumtemperatur zu übertragen.“ Um dies zu erreichen, experimentiert das Forschungsteam mit Kalium-Zusätzen, die den Schmelzpunkt der Anode senken. Die Herausforderung dabei: Viele gängige Festelektrolyte sind nicht stabil genug gegenüber Kalium.
Neuer Festelektrolyt als Schlüsseltechnologie
Die Lösung könnte in einem speziellen Festelektrolyten auf Basis von Natrium-Superionenleitern (NASICON) liegen. Diese Materialien bieten eine hohe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur und sind gleichzeitig chemisch stabil gegenüber Kalium – insbesondere, wenn sie mit Hafnium versetzt werden. Doch Hafnium ist selten und teuer. Im NASICON-Projekt suchen Graeber und sein interdisziplinäres Team deshalb nach alternativen Additiven, die ebenso leistungsfähig, aber nachhaltiger und breit verfügbar sind.
Die vielversprechendsten Kandidaten werden direkt in Natriumbatterien getestet. „Unser Forschungsprojekt ist ein entscheidender Schritt hin zu Hochleistungsbatterien, die nachhaltiger, günstiger und effizienter sind“, so Graeber. „Natrium-Feststoffbatterien könnten die Ladezeiten drastisch verkürzen und die Leistungsfähigkeit von mobilen und stationären Energiespeichern erheblich verbessern – ein wichtiger Beitrag zur Dekarbonisierung.“
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