Batterietechnik: Natrium und Kalium als Alternative zu Lithium

Autor / Redakteur: Stefan Parsch / Sebastian Gerstl

Bislang setzen Hersteller bei vielen aufladbaren Batterien auf Lithium - doch das Minerals ist schwer abzubauen. Natrium und Kalium könnten eine Alternative sein, zeigt nun eine Studie.

Firmen zum Thema

Matthew Boebinger, Doktorand an der Georgia Tech, beobachtet Videoaufnahmen einer chemischen Reaktion zwischen Natrium und Eisensulfid.
Matthew Boebinger, Doktorand an der Georgia Tech, beobachtet Videoaufnahmen einer chemischen Reaktion zwischen Natrium und Eisensulfid.
(Bild: Rob Felt, Georgia Tech)

In aufladbaren Batterien könnten Natrium und Kalium in Zukunft eine Alternative zu dem seltenen Element Lithium bilden - was etwa für Elektroautos eine Rolle spielen könnte. Dass dies grundsätzlich möglich ist, berichten US-Forscher um Matthew McDowell vom Georgia Institute of Technology in Atlanta in der Fachzeitschrift Joule. In ihrer Machbarkeitsstudie nutzten sie als Elektrodenmaterial das Mineral Pyrit (FeS2), das aus Eisen und Schwefel besteht und auch als Katzengold bekannt ist. Dieses Mineral testeten sie im Zusammenspiel mit Lithium-, Natrium- und Kaliumionen.

Natrium und Kalium gehören wie Lithium zu den Alkalimetallen, kommen in der Erdkruste aber wesentlich häufiger vor und sind deshalb viel billiger. Bei aufladbaren Batterien setzen Unternehmen bislang meist auf Lithium.

"Eines der größten Hindernisse für Natrium- und Kaliumionen-Batterien ist, dass sie schneller zum Zerfallen tendieren und weniger Energie speichern als die Alternativen", wird McDowell in einer Mitteilung seines Instituts zitiert. Zudem sind Ionen von Natrium und Kalium deutlich größer als die von Lithium. Wenn sie an herkömmliches Elektrodenmaterial binden, sorgen sie in dem Material für eine größere Volumenänderung – mit der Gefahr von Rissbildung und Zerfall.

In der aktuellen Studie schufen die Forscher zunächst würfelförmige Pyritkristalle mit einer Kantenlänge von 20 bis 120 Nanometern (Millionstel Millimetern). Mittels Transmissionselektronenmikroskop (TEM) beobachteten sie dann, wie die Ionen der drei Alkalimetalle mit den Kristallwürfeln reagierten. Bei Lithiumionen blieben die Kristalle weitgehend würfelförmig, entwickelten aber bald Risse. Solche Risse würden in einer Batterie schnell zum Abbau des Elektrodenmaterials führen und die Kapazität und Lebensdauer deutlich verringern.

Bei Natrium- und Kaliumionen hingegen bildeten sich keine Risse in den Pyritwürfeln, stattdessen rundeten sich nur deren Ecken ab. Dies deute darauf hin, dass eine solche Batterie eine hohe Lebensdauer hätte, betonen die Forscher. «Wir sahen eine sehr robuste Reaktion ohne Risse - das deutet darauf hin, dass dieses und ähnliche Materialien in neuen Batterien mit langfristig großer Stabilität eingesetzt werden könnten», sagt Ko-Autor Matthew Boebinger.

"Lithiumbatterien sind jetzt noch am attraktivsten, denn sie haben die höchste Energiedichte", fasst McDowell zusammen. "Natrium- und Kaliumbatterien haben zurzeit keine höhere Dichte, aber sie basieren auf Elementen, die in der Erdkruste tausendmal häufiger vorkommen als Lithium. Daher könnten sie in Zukunft viel billiger sein, was für die Energiespeicherung im großen Maßstab wichtig ist."

Hinzu käme zumindest bei Natrium, dass auf Kupfer als Stromabnehmer verzichtet werden könnte. Stattdessen könnte das günstigere Aluminium verwendet werden, weil es mit Natrium keine Legierung bildet, schreiben die Forscher. (dpa)

(ID:45360544)