Natrium-Festkörperbatterien sind eine vielversprechende Alternative zu Lithiumbatterien.

Forscher haben eine Festkörper-Natriumbatterie entwickelt, die auch bei Minustemperaturen ihre Leistung behält. Die von Forschern der University of California in San Diego entwickelte Batterie könnte dazu beitragen, Lithium-basierte Stromversorgungsgeräte zu ersetzen.

Die Forscher zeigten außerdem, dass Natrium eine billige, reichlich vorhandene und weniger schädliche Alternative ist, die von ihnen entwickelten Festkörperbatterien funktionieren derzeit jedoch bei Raumtemperatur nicht gut.

ucsd-jacobsschool-2407-meng-lab-deysher-grayson-06232-8mp-1380px.jpg — Die Forschung wurde von Professor Y. Shirley Meng, Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago, geleitet.

Die Ingenieure erhitzten eine halbstabile Form von Natriumhydridoborat bis zur Kristallisation und kühlten sie anschließend schnell ab, um die Kristallstruktur kinetisch zu stabilisieren. Diese Technik ist weithin anerkannt, wurde jedoch noch nie zuvor auf einen Festelektrolyten angewendet.

Diese Vertrautheit könnte dazu beitragen, diese Laborinnovation in Zukunft in ein echtes Produkt umzusetzen, sagen die Forscher.

„Es geht nicht um Natrium oder Lithium, wir brauchen beides“, sagte Professorin Y. Shirley Meng von der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago (UChicago PME – USA). „Wenn wir über zukünftige Energiespeicherlösungen nachdenken, sollten wir uns vorstellen, dass dieselbe riesige Fabrik sowohl Produkte auf Basis von Lithium- als auch von Natriumchemie herstellen kann. Diese neue Forschung bringt uns diesem Ziel näher und treibt gleichzeitig die Grundlagenforschung voran.“

Das Team weist außerdem darauf hin, dass die Natriumchemie interessant sei, der Natrium-Festelektrolyt jedoch bei Raumtemperatur eine begrenzte Ionenleitfähigkeit zeige.

Die Arbeit der Gruppe der UC San Diego kombiniert rechnerische und experimentelle Daten, um die metastabile Natur von Natriumhydridoborat zu bewerten, und zeigt, dass eine schnelle Abkühlung aus dem Kristallisationsregime die orthorhombische Phasendynamik mit schneller Na+-Migration blockiert.

Natrium-Festkörperbatterien bieten Hoffnung auf eine weniger umweltschädliche Energielösung.

Die Forscher weisen darauf hin, dass diese superstabile Phase in Kombination mit einer Kathode auf Chloridbasis, die mit einem festen Elektrolyten beschichtet ist, die Herstellung dichter Verbundkathoden mit hoher Flächenbelastung ermöglicht, die ihre Leistung auch bei Temperaturen unter Null aufrechterhalten.

„Da das Grundprinzip darin besteht, das anionische Gerüst kinetisch zu stabilisieren und so die Diffusion zu begünstigen, ist dieser Ansatz auf verwandte Hydridoborate und andere anionische Clusterchemien übertragbar. Diese Arbeit liefert eine praktische Designstrategie und Verarbeitungsrichtlinien für Hochleistungs-Festelektrolyte“, berichtet das Team.

Co-Autor Sam Oh vom A*STAR Institute for Materials Research and Engineering in Singapur sagte, die Forschung trage dazu bei, Natrium hinsichtlich der elektrochemischen Leistung auf eine Stufe mit Lithium zu stellen.

„Der Durchbruch, den wir erzielt haben, besteht darin, dass wir tatsächlich eine semistabile Struktur stabilisieren, über die noch nie zuvor berichtet wurde. Diese semistabile Struktur von Natriumhydridoborat hat eine sehr hohe Ionenleitfähigkeit, die mindestens eine Größenordnung höher ist als die in der Literatur angegebene Ionenleitfähigkeit und drei bis vier Größenordnungen höher als die des Vorläufers selbst.“

Diese Forschung bietet die Möglichkeit, einen deutlich günstigeren und leichter verfügbaren Rohstoff als Lithium zu nutzen. Seit vielen Jahren muss die Menschheit im Zuge der Entwicklung tragbarer digitaler Geräte beim Abbau und der Raffination von Lithium enorme Umweltkompromisse eingehen.