Natriumbatterie – Lösungen für die Post-Lithium-Ära
Natrium ist das sechst-häufigste Element in der Erdkruste und 1000-mal häufiger zu finden als Lithium. Da es ebenso wie Lithium ein Element der ersten Hauptgruppe ist, verfügt es über sehr ähnliche Eigenschaften. Daher konzipieren Wissenschaftler*innen am Fraunhofer IKTS und der Friedrich-Schiller-Universität Jena elektrochemische Energiespeicher auf Basis von Natriumverbindungen und elementarem Natrium.
Durch den Ausbau regenerativer Energien steigt der Bedarf an leistungsfähigen und sicheren Energiespeichern für stationäre Anwendungen. Eingesetzte Batterien müssen über eine Lebensdauer von 15 Jahren zyklenstabil und sicher sein. Natrium-Nickel-Chlorid-Batterien erfüllen diese Anforderung, sind ökologisch nachhaltig und basieren auf gut verfügbaren Rohstoffen, wie Kochsalz, Aluminiumoxid und Nickel. Durch einfaches Recycling können die metallischen Rohstoffe wiederverwendet werden.
Natrium-Nickel-Chlorid-Zellen werden kommerziell tubular gefertigt und bei heißen Temperaturen um 300 °C betrieben. Hochtemperatursysteme können jedoch nicht den Markt mobiler Nutz- und Endgeräte bedienen. Natrium-Ionen-Batterien sind in der Lage, in diesen Markt teilweise einzusteigen, stellen aber andere Bedingungen an Materialien der Elektroden und des Elektrolyts als Lithium-Ionen-Batterien (LIB). So ist der für LIB bewährte Graphit eine ungeeignete Wahl für die negative Elektrode und es wird beispielsweise auf Hard Carbons als Alternative zurückgegriffen.
Kontakt: Michael Stelter
Anodenmaterialien
a) Natriummetall
Betrachtet man ausschließlich die Aspekte der Energiedichte und spezifischen Speicherkapazität, so wäre Natriummetall (q = 1165 mAh/g) konkurrenzlos die beste Wahl für die negative Elektrode in Natriumbatterien. Allerdings ist diese Elektrode im festen Zustand alles andere als leicht zu kontrollieren und stellt ein Sicherheitsrisiko in Kombination mit konventionellen flüssigen Elektrolyten dar. Beispielsweise könnten Dendriten wachsen, beide Elektroden kurzschließen und das »thermische Durchgehen« induzieren. Die Lösbarkeit dieser Problematik ist umstritten und die Elektrode wird für Niedrigtemperatur Natrium-Schwefel- und Natrium-Luft-Batterien diskutiert. Zu Natrium-Ionen-Batterie (NIB)-Forschungszwecken dient sie hingegen in speziell gesicherten Laborzellen als taugliche Gegen- und Referenzelektrode. Im geschmolzenen Zustand macht man von den exzellenten Eigenschaften des Leichtmetalls in stationären Natrium-Nickelchlorid-Batterien und Natrium-Schwefel-Batterien Gebrauch. In der NIB wird kein elementares Alkalimetall zum Einsatz kommen, wie es auch bei der LIB der Fall ist. Die Entwicklung dafür geeigneter Na+-Speichermaterialien ist daher eine Kernvoraussetzung der NIB.
Produktblatt: Natrium als Alternative in elektrochemischen Speichern (DE/EN)
b) Hard Carbon
Die attraktiven elektrochemischen Eigenschaften von leicht verfügbarem und günstigem Graphit für die effiziente Lithiumspeicherung auf der Anodenseite der Lithium-Ionenbatterie (LIB) steuerten maßgeblich zum Erfolg der LIB bei.
Da Natrium im Gegensatz zu Lithium keine thermodynamisch stabilen Verbindungen mit Graphit eingeht, kann letzteres auch nicht als Material für die negative Elektrode in Natrium-Ionenbatterien (NIB) eingesetzt werden. Daher muss an anderen Kohlenstoffmodifikationen, wie sogenanntem Hard Carbon geforscht werden.
Hard Carbon ist eine Form von Kohlenstoff, welche auch bei Temperaturen oberhalb von 3000 °C nicht zu Graphit umgewandelt wird. Er wird durch Erhitzen kohlenstoffreicher Vorläufer, oft aus nachwachsenden Quellen wie Pflanzenresten, hergestellt und ist dadurch nicht nur uneingeschränkt und günstig verfügbar, sondern auch im Sinne einer nachhaltigen Energiewirtschaft vorteilhaft.
Durch seine einzigartigen Strukturmerkmale eignet es sich hervorragend, um große Mengen Natrium bei niedrigen Potentialen zu speichern und ermöglicht damit NIB mit hohen Zellspannungen und Energiedichten.
Im Fokus der aktuellen Grundlagenforschung am CEEC liegt insbesondere die Vertiefung des Verständnisses über den Einfluss der Kohlenstoffstruktur auf seine Natriumspeichercharakteristik. So soll durch geeignete Wahl der Temperaturbehandlungsbedingungen und anderer synthetischer Schritte die Speicherkapazität erhöht und Verluste während des Zyklierens, besonders im ersten Schritt der Natriumaufnahme verringert werden.
c) Beschichtete Elektrode
Für die Anwendung in Batteriezellen muss das Aktivmaterial in dünnen Schichten auf Metallfolien aufgebracht werden. Aufgrund des negativen Betriebspotentials kann hier anstatt Kupfer- Aluminiumfolie verwendet werden. Dies reduziert Kosten und Gewicht der Elektrode. Der zu etwa mikrometergroßen Partikeln gemahlene Hard Carbon wird dazu zunächst zusammen mit einem Leitadditiv und Binder zu einer Paste vermengt. Als Leitadditive kommen in der Regel feinpartikuläre Ruße als Binder-Polymere wie Carboxymethylcellulose oder Styrol-Butadienkautschuk zum Einsatz. Im Labormaßstab wird die Paste chargenweise mittels einer Schiebrakel auf die Aluminiumfolie beschichtet und der nasse Film zum Schluss getrocknet. In größerem Maßstab wird die Schicht im Schlitzdüsenverfahren auf eine kontinuierlich laufende Folienrolle aufgetragen und getrocknet. Die beschichteten Filme werden anschließend sofort wiederaufgewickelt (Rolle-zu-Rolle).
Institut für Technische Chemie und Umweltchemie an der FSU Jena
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
