Festelektrolyte auf Basis von Natrium-Superionenleitern sind das Entwicklungsziel des BAM-Forschungsteams.
Foto: BAM
Ein Forschungsteam der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat „einen innovativen Ansatz entwickelt, um Feststoffbatterien leistungsfähiger und alltagstauglicher zu machen“. In einer Studie sei der Nachweis gelungen, „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.
Bei konventionellen Lithium-Ionen-Batterien könne die meist aus Graphit bestehende Anode nur begrenzt Ionen speichern, die Grenzen der Leistungsfähigkeit seien hier erreicht. Anoden aus reinem Lithium oder dem nachhaltigeren und günstigeren Natrium könnten zwar die Energiedichte um bis zu 40 Prozent steigern. Für einen sicheren Betrieb sei aber ein fester anstelle eines flüssigen Elektrolyten erforderlich. Hierbei stelle sich das Problem, dass es an der Grenzfläche zwischen fester Anode und Festelektrolyt zu Kontaktverlusten und Hohlräumen kommen kann und die Batterie dadurch unbrauchbar werde. Eine mögliche Lösung sei eine teilweise flüssige Anode.
Die Technologie der flüssigen Alkalimetall-Anode wiederum sei bisher nur bei 250 Grad Celsius einsetzbar. „Unser Ziel ist es, ihre Vorteile auf Raumtemperatur zu übertragen“, so Graeber. Hierfür experimentiert das Forschungsteam mit Kalium-Zusätzen, die den Schmelzpunkt der Anode senken. Die Herausforderung bestehe darin, dass viele gängige Festelektrolyte nicht stabil genug gegenüber Kalium seien.
Eine mögliche Lösung seien ein spezielle Festelektrolyten auf Basis von Natrium-Superionenleitern (NASICON), die eine hohe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur mit chemischer Stabilität gegenüber Kalium verbinden – den Angaben zufolge insbesondere dann, wenn sie mit Hafnium versetzt werden. Dieses Material aber sei selten und teuer – es führt also ein Problem zum anderen. In ihrem „NASICON-Projekt“ suchen die BAM-Forscher deshalb „nach alternativen Additiven, die ebenso leistungsfähig, aber nachhaltiger und breit verfügbar sind“ und testen entsprechende Kandidaten direkt in Natriumbatterien. Im Erfolgsfall könnten Natrium-Feststoffbatterien „die Ladezeiten drastisch verkürzen und die Leistungsfähigkeit von mobilen und stationären Energiespeichern erheblich verbessern.“
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