Batterieforschung Eine Natrium-Alternative für die Elektromobilität

Redakteur: Gerd Kucera

Weltweit suchen Wissenschaftler nach Alternativen zu Lithium-Ionen-Akkus. Vielversprechend sind Natrium-Ionen-Batterien, doch die Anode gilt bislang als eine Schwachstelle. Die BAM entwickelt dazu in einem Kooperationsprojekt neuartige Kern-Schale-Verbundwerkstoffe, die zu effizienten Akkus mit verbesserter Sicherheit führen sollen.

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Dr. Tim-Patrick Fellinger leitet das Verbundprojekt an der BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und ist Experte für Energiematerialien: „Die Herausforderung ist es, ein Material zu finden, das sicher und effizient zugleich ist.“
Dr. Tim-Patrick Fellinger leitet das Verbundprojekt an der BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und ist Experte für Energiematerialien: „Die Herausforderung ist es, ein Material zu finden, das sicher und effizient zugleich ist.“
(Bild: BAM)

Bisher beruhen Batterien für Elektrofahrzeuge oder stationäre Energiespeicher fast ausschließlich auf der Lithium-Ionen-Technologie. Bei allen Vorzügen besitzt das Batteriematerial Lithium gewichtige Nachteile: Die globalen Reserven des Alkali-Metalls sind begrenzt. Sein Abbau aus Salzwasser ist kostspielig und wenig umweltschonend. Zudem benötigen Lithium-Batterien aktuell für die Elektroden Cobalt und Nickel. Das sind Metalle, die ebenfalls unter problematischen Bedingungen abgebaut werden und zudem giftig sind.

Weltweit suchen Forscher daher nach einer umweltschonenden Alternative zu Lithium. Als besonders vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien. Sie sind eine so genannte Drop-in-Technologie, soll heißen sie können auf die gängige Batterieproduktion übertragen werden. Zudem benötigen sie weder Cobalt noch Nickel. Vor allem aber ist Natrium als natürlicher Bestandteil von Kochsalz leicht verfügbar.

Das Anodenmaterial ist noch nicht zufriedenstellend

Als Schwachstelle von Natrium-Ionen-Batterien gilt bislang jedoch das Material des Pluspols (Anode). Das Anodenmaterial ist quasi der Tank einer elektrischen Zelle. Im geladenen Zustand soll sie so viele positive Natrium-Ionen wie möglich speichern. Das ist entscheidend für die Effizienz des Akkus.

An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) startet jetzt ein Berliner Kooperationsprojekt, das sich der Suche nach einem geeigneten Anoden-Material widmet, um die Natrium-Ionen-Technologie voranzubringen. Angesiedelt ist es im neuen Batterietestzentrum, das die BAM kürzlich eröffnet hat.

Ungeordneter Kohlenstoff statt Graphit

Statt Graphit, wie bei den etwas kleineren Lithium-Ionen-Zellen, werden beim Natrium-Ionen-Typ bisher so genannte Hard Carbons verwendet. In den Poren und Gängen dieses ungeordneten Kohlenstoffs können sich jedoch nicht nur Natrium-Ionen einlagern, sondern es gelangt auch Elektrolyt, die Ionen-leitende Flüssigkeit der Batteriezelle, hinein. Das führt zu unerwünschten Verlusten der Speicherkapazität und geht somit auf Kosten der Effizienz.

„Es ist sehr komplex, die ideale Struktur für diese neuartigen Materialien zu finden“, konstatiert Dr. Tim-Patrick Fellinger, Leiter des Verbundprojekts, „wir wollen dafür maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe entwickeln, die möglichst vielen Natrium-Ionen Platz bieten, aber das Elektrolyt fernhalten. Die Herausforderung ist es, ein Material zu finden, das zugleich sicher und effizient ist.“

Der schnelle Wissensaustausch mit der Industrie

Beteiligt an dem Verbundprojekt sind das Helmholtz-Zentrum Berlin und die TU Berlin sowie mehrere Unternehmen, die sich auf Kohlenstoffmaterialien für Batterien spezialisiert haben. Fellinger: „Der schnelle Wissensaustausch mit der Industrie ist uns wichtig, daher freue ich mich über die Beteiligungen. Wenn wir mit unserem Konzept erfolgreich sind, würde dies einen großen Innovationsschub für die Natrium-Ionen-Technologie insgesamt bedeuten.“

Gefördert wird das Verbundprojekt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderung „Batterie 2020 Transfer“.

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