Junhua Song mit der Natrium-Ionen-Batterie. (WSU) Da viele unserer Alltagstechnologien mit Batterien betrieben werden, kann die Bedeutung von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkus gar nicht genug betont werden. Ihre Herstellung ist jedoch teuer und die Materialien sind schwer zu beschaffen.
Es gibt eine Alternative - Natrium-Ionen-Batterien haben das Potenzial, billiger und einfacher hergestellt zu werden, wenn wir das Problem, diese Batterien zum Laufen zu bringen, ebenso wie die von uns überwiegend verwendete Lithium-Ionen-Technologie überwinden können. Jetzt sind wir diesem Ziel vielleicht gerade einen großen Schritt näher gekommen.
Forscher haben bisher eines der besten Ergebnisse für eine Natrium-Ionen-Batterie erzielt, die genauso viel Energie wie Lithium-Ionen-Batterien speichert und eine ebenso gute Leistung wie einige kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien bietet. Es handelt sich um eine „große Entwicklung“ in der Forschung zu Natriumionenbatterien (Na-Ionen). sagt das Team .
Ein Bereich, in dem Na-Ionen-Batterien besonders nützlich sein könnten, ist die Energiespeicherung im großen Maßstab. Während die Welt den Übergang vollzieht erneuerbare Energie , dass Speicher immer wichtiger werden – und wir brauchen Batterietechnologie, die kostengünstig herzustellen und einfach zu skalieren ist.
„Die größte Herausforderung besteht darin, dass die Batterie sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine gute Zyklenlebensdauer aufweist“, sagt Materialingenieur Junhua Song , vom Lawrence Berkeley National Laboratory.
Derzeit haben Lithium-Ionen-Batterien gegenüber Natrium-Ionen-Batterien den Vorteil, dass sie länger halten und mehr Energie speichern. Einer der Gründe dafür ist, dass viele potenzielle Materialien, die für die Kathode – den Teil der Batterie, der die fließenden Elektronen aufnimmt – verwendet werden, letztendlich zu einer schädlichen Ansammlung inaktiver Natriumkristalle führen, die schließlich die Energieübertragung zunichte machen.
Um dies zu umgehen, bauten die Wissenschaftler speziell eine geschichtete Metalloxidkathode und entwickelten einen flüssigen Elektrolyten, der zusätzliche Natriumionen enthielt. Dies führte zu einer salzigeren Mischung innerhalb der Batterie, einer besseren Wechselwirkung mit der Kathode und zu keiner Ansammlung von Natriumkristallen.
Über 1.000 Zyklen behält der neue Na-Ionen-Akku immer noch über 80 Prozent seiner Ladung – noch nicht genug, um in Ihr Smartphone zu gelangen, aber ein großer Fortschritt für die alternative Akkutechnologie, der mehr verspricht Fortschritte in der Zukunft.
„Unsere Forschung enthüllte den wesentlichen Zusammenhang zwischen der Entwicklung der Kathodenstruktur und der Oberflächenwechselwirkung mit dem Elektrolyten“, sagt der Materialwissenschaftler Yuehe Lin , von der Washington State University (WSU).
„Dies sind die besten Ergebnisse, die jemals für eine Natrium-Ionen-Batterie mit geschichteter Kathode gemeldet wurden, und zeigen, dass es sich um eine praktikable Technologie handelt, die mit Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar sein kann.“
Damit sind die Forscher aber noch nicht fertig: Sie wollen die Wechselwirkungen zwischen ihrem Elektrolyten und der Kathode genauer untersuchen und die Effizienz noch weiter verbessern. Sie sind außerdem bestrebt, die Verwendung von Kobalt zu eliminieren, einem weiteren Material, das selten und schwer zu beschaffen ist, aber häufig in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien und experimentellen Na-Ionen-Batterien verwendet wird.
Während Lithium-Ionen den Markt bei Telefonen, Laptops usw. dominiert elektrische Autos Derzeit hat es seine Schwächen – nicht zuletzt die teure Beschaffung von Lithium. Wenn wir mehr dieser Batterien benötigen, ist es sinnvoll, eine Alternative zu haben.
Das heißt nicht, dass auch bei Lithium-Ionen-Batterien keine Innovationen möglich sind: Wissenschaftler finden heraus, wie diese Batterien eine längere Lebensdauer erreichen können schneller aufladen . Je mehr Optionen wir auf dem Tisch haben, desto besser, sei es Lithium-Ionen, Natrium-Ionen oder … etwas anders .
„Diese Arbeit ebnet den Weg für praktische Natrium-Ionen-Batterien, und die grundlegenden Erkenntnisse, die wir über die Wechselwirkung zwischen Kathode und Elektrolyt gewonnen haben, geben Aufschluss darüber, wie wir zukünftige kobaltfreie oder kobaltarme Kathodenmaterialien in Natrium-Ionen-Batterien entwickeln könnten.“ in anderen Arten von Batteriechemien“, sagt Song .
„Wenn wir brauchbare Alternativen sowohl zu Lithium als auch zu Kobalt finden können, könnte die Natrium-Ionen-Batterie tatsächlich mit Lithium-Ionen-Batterien konkurrenzfähig sein.“ Und das würde das Spiel verändern.‘
Die Forschung wurde veröffentlicht in ACS-Energiebriefe .