Festkörperbatterien sind sichere und leistungsstarke Möglichkeiten, um Elektrofahrzeuge und Elektronikgeräte mit Strom zu versorgen und Strom aus dem Stromnetz zu speichern. Das für ihre Herstellung verwendete Lithium ist jedoch selten, teuer und seine Gewinnung kann verheerende Auswirkungen auf die Umwelt haben. Natrium ist eine kostengünstige, reichlich vorhandene und weniger umweltschädliche Alternative, aber die damit hergestellten Festkörperbatterien funktionieren derzeit bei Raumtemperatur nicht so gut.
„Es geht nicht um Natrium gegen Lithium. Wir brauchen beides. Wenn wir über die Energiespeicherlösungen von morgen nachdenken, sollten wir uns vorstellen, dass dieselbe Gigafabrik Produkte auf Basis von Lithium- und Natriumchemie herstellen kann“, sagte Y. Shirley Meng, Liew Family Professorin für Molekulartechnik an der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME). „Diese neue Forschung bringt uns diesem ultimativen Ziel näher und treibt gleichzeitig die Grundlagenforschung voran.“
Ein Artikel aus Mengs Labor trägt zur Lösung dieses Problems bei. Ihre Forschung setzt neue Maßstäbe für Natrium-basierte Festkörperbatterien und demonstriert dicke Kathoden, die ihre Leistung bei Raumtemperatur bis hinunter zu Minustemperaturen beibehalten. Die Forschung trägt dazu bei, Natrium in Bezug auf die elektrochemische Leistung auf Augenhöhe mit Lithium zu bringen, sagte der Erstautor Sam Oh vom A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapur, der während der Forschung als Gastwissenschaftler am Meng Laboratory for Energy Storage and Conversion tätig war.
„Unser Durchbruch besteht darin, dass wir tatsächlich eine metastabile Struktur stabilisieren, über die bisher noch nicht berichtet wurde“, sagte Oh. „Diese metastabile Struktur von Natriumhydridoborat hat eine sehr hohe Ionenleitfähigkeit, die mindestens eine Größenordnung höher ist als die in der Literatur angegebene und drei bis vier Größenordnungen höher als die des Vorläufers selbst.“
Bewährte Technik, neues Gebiet
Das Team erhitzte eine metastabile Form von Natriumhydridoborat bis zu dem Punkt, an dem es zu kristallisieren beginnt, und kühlte es dann schnell ab, um die Kristallstruktur kinetisch zu stabilisieren. Es handelt sich um eine bewährte Technik, die jedoch bisher noch nicht auf Festelektrolyte angewendet wurde, so Oh. Diese Vertrautheit könnte später dazu beitragen, diese Laborentwicklung in ein reales Produkt umzusetzen.
„Da diese Technik bereits etabliert ist, können wir sie in Zukunft besser skalieren“, sagte Oh. „Wenn man etwas Neues vorschlägt oder wenn Prozesse geändert oder neu etabliert werden müssen, ist die Industrie eher zurückhaltend, dies zu akzeptieren.“ Durch die Kombination dieser metastabilen Phase mit einer O3-Kathode, die mit einem festen Elektrolyten auf Chloridbasis beschichtet ist, lassen sich dicke Kathoden mit hoher Flächenauslastung herstellen, wodurch dieses neue Design herkömmliche Natrium-Batterien übertrifft. Im Gegensatz zu Designs mit einer dünnen Kathode enthält diese dicke Kathode weniger inaktive Materialien und mehr „Kathodenmasse“.
„Je dicker die Kathode ist, desto besser ist die theoretische Energiedichte der Batterie – also die Energiemenge, die in einem bestimmten Bereich gespeichert werden kann“, so Oh.
Die aktuelle Forschung fördert Natrium als praktikable Alternative für Batterien, was ein wichtiger Schritt im Kampf gegen die Seltenheit und Umweltbelastung von Lithium ist. Es ist einer von vielen Schritten nach vorne. „Es ist noch ein langer Weg, aber was wir mit dieser Forschung erreicht haben, wird dazu beitragen, diese Möglichkeit zu erschließen“, sagte Oh.
