Der Markt für wiederaufladbare Batterien wächst schnell, aber die benötigten Rohstoffe sind begrenzt. Eine Alternative könnten zum Beispiel Natrium-Ionen-Batterien sein. Eine gemeinsame Forschergruppe von HZB und Humboldt-Universität zu Berlin hat dafür neue Kombinationen von Elektrolytlösungen und Elektrodenmaterialien untersucht.
„Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, die auf der Speicherung von Lithium-Ionen in der positiven und negativen Elektrode der Batterie basieren, arbeiten wir mit Natrium-Ionen, wie sie auch in billigem Kochsalz vorkommen. Dazu speichern wir die Natrium-Ionen zusammen mit ihrer Solvathülle, also Lösungsmittelmolekülen aus der Elektrolytlösung, die die beiden Elektroden trennen. Damit lassen sich völlig neue Speicherreaktionen realisieren“, erklärt Prof. Philipp Adelhelm, der die Forschungsgruppe „operando battery analysis“ leitet, die 2020 gemeinsam von Humboldt-Universität und Helmholtz-Zentrum Berlin gegründet wurde.
Vorteilhafte Materialkombination
Diese Einlagerung von Ionen in Begleitung ihrer Solvatationshülle in einem Kristallgitter bezeichnet man als Ko-Interkalation. Bislang war dieses Konzept auf die negative Elektrode der Natrium-Ionen-Batterie beschränkt. Nun ist es dem Team um Adelhelm gelungen, das Konzept auf die positive Elektrode der Batterie auszuweiten. Dr. Guillermo A. Ferrero, Erstautorin der Veröffentlichung, erklärt: „Mit Titandisulfid und Graphit haben wir zum ersten Mal zwei Materialien kombiniert, die während des Ladens und Entladens der Batterie dasselbe Lösungsmittel aufnehmen und abgeben“. Mit Operando-Messungen am Röntgen-Corelab des HZB (LIMAX 160) ließen sich Veränderungen im Material während des Ladens und Entladens beobachten und der Mechanismus der Ko-Interkalation im Inneren der Batterie analysieren. Mit diesem Wissen gelang es dem Team, eine Batterie zu realisieren, bei der die Ko-Interkalation von Lösungsmittelmolekülen an beiden Elektroden reversibel ist.
„Wir beginnen gerade erst damit, Ko-Interkalationsbatterien zu verstehen. Es gibt einige Vorteile, die wir uns vorstellen können“, erklärt Dr. Katherine A. Mazzio vom HZB: Der Prozess der Ko-Interkalation könnte die Effizienz verbessern, indem er eine bessere Leistung bei niedrigen Temperaturen ermöglicht. Er könnte auch genutzt werden, um alternative Zellkonzepte zu verbessern, wie zum Beispiel die Verwendung mehrwertiger Ionen anstelle der Speicherung von Li+ oder Na+, die besonders empfindlich auf die Solvatationshülle reagieren.
Hinweis: Dieses Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert (Grant Agreement No. [864698], SEED).
Bild oben: Mit operando-Methoden lässt sich beobachten, wie sich solvatisierte Ionen in Batterie-Elektroden einlagern. Die Erkenntnisse sind hilfreich, um alternative Batteriekonzepte zu entwickeln. Grafik: G. A. Ferrero
