Der irreversible Verlust an Speicherkapazität beim ersten Laden – noch während der Herstellung der Natrium-Ionen-Batterie – entsteht durch eine chemische Reaktion zwischen der Anode und dem Elektrolyten, der leitfähigen Flüssigkeit des Akkus. Dabei zersetzen sich Elektrolyt-Moleküle an der Anode aus hartem Kohlenstoff und dringen in dessen Poren ein. 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.
Der Film schützt die Anode vor weiterer Zersetzung durch den Elektrolyten, verbraucht jedoch einen Teil der speicherbaren Energie, da er teils selbst aus Natrium-Ionen besteht. Er bindet also jene Ladungsträger, die für den Ladungstransport in der Batterie zuständig sind.
Neues Anodenmaterial erforderlich
Bei Lithium-Ionen-Batterien tritt dieses Problem kaum auf, weil sich auf deren Anoden aus dichtem Graphit die Schutzschicht leichter bildet, sodass die Effizienz des Akkus meist über 90 Prozent liegt. Natrium kann jedoch nicht in Graphit eingelagert werden. 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.
Neues Kern-Schale-Design soll Probleme lösen
Zur Lösung entwickelte das BAM-Team ein neuartiges Kern-Schale-Design für die Anode. „Wir haben erkannt, dass sich bei Natrium-Ionen-Batterien große Speicherkapazitäten und effiziente Filmbildung nicht durch ein einzelnes Material realisieren lassen“, erklärt Tim-Patrick Fellinger, BAM-Experte für Energiematerialien. „Denn: Je besser sich ein Material für die Speicherung eignet, desto verlustreicher ist die Filmbildung.“
Die Forschenden entwickelten ein Verfahren, bei dem sie einen porösen, das heißt schwammartigen, harten Kohlenstoff als Speichermaterial im Kern der Anode mit einer hauchdünnen Schicht umhüllen, die wie ein Filter wirkt: Sie lässt die erwünschten Natrium-Ionen passieren, hält aber störende Elektrolyt-Moleküle fern. So bleibt die Speicherkapazität der Anode erhalten und die Batterie kann über viele Ladezyklen hinweg ihre Leistung behalten. Das maßgeschneiderte Material basiert auf Aktivkohle, einem günstigen und umweltfreundlichen Material – was die Technologie auch wirtschaftlich interessant macht.
Gleichzeitige Verbesserung von Effizienz und Speicherkapazität
Die in der Studie entwickelten Materialien erreichen bereits jetzt eine Anfangseffizienz von 82 Prozent – ohne Beschichtung liegt sie bei 18 Prozent. Weitere Fortschritte hält das BAM-Team für wahrscheinlich. „Die Trennung von ‚Formierung‘, so der Fachbegriff für die Filmbildung, und Speicherung erlaubt die gleichzeitige Verbesserung von Effizienz und Speicherkapazität durch getrennte Materialentwicklungen. 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“, so Paul Appel aus dem Team.
Weiterentwicklung im Berlin Battery Lab
Die Weiterentwicklung des Anodenmaterials soll im Berlin Battery Lab (BBL) erfolgen, einer Kooperation von BAM, dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin. Das Berlin Battery Lab bündelt die Spitzenexpertise aller drei Forschungseinrichtungen im Bereich nachhaltiger Batterietechnologien und bietet der Industrie eine einzigartige Plattform, um Innovationen schneller in marktfähige Produkte zu überführen.
Die Projekte „DialySorb“ und „NMR-Batt“, in deren Rahmen die neue Anode entwickelt wurde, werden vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt im Rahmen des Dachkonzepts Batterieforschung gefördert.
