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Natrium ist das neue Lithium

Eine Möglichkeit, die Leistung von Natrium-Ionen-Batterien zu steigern

04.02.2019

NITech

In der anorganischen Kristallstrukturdatenbank wird für etwa 4.300 Verbindungen eine Hochdurchsatzberechnung für Na-Migrationsenergien durchgeführt, die die Verbindung tatsächlich eine ausgezeichnete Hochleistungsfähigkeit und zyklische Haltbarkeit aufweist; im Detail weist die Verbindung einen stabilen 10C-Zyklus auf, was der Rate von nur sechs Minuten bei voller Be- und Entladung entspricht, und eine Kapazitätserhaltung von ca. 94 Prozent nach 50 Lade- und Entladezyklen bei Raumtemperatur. Diese Ergebnisse sind vergleichbar mit oder besser als repräsentative Kathodenmaterialien für Natriumionenbatterien.

Forscher des Nagoya Institute of Technology (NITech) in Japan haben gezeigt, dass ein bestimmtes Material als effiziente Batteriekomponente für Natrium-Ionen-Batterien dienen kann, die mit Lithium-Ionen-Batterien um mehrere Batterieeigenschaften, insbesondere um die Ladegeschwindigkeit, konkurrieren.

Die beliebten Lithium-Ionen-Batterien haben mehrere Vorteile - sie sind wiederaufladbar und haben ein breites Anwendungsspektrum. Sie werden in Geräten wie Laptops und Handys sowie in Hybrid- und Vollelektroautos eingesetzt. Das Elektrofahrzeug - eine wichtige Technologie zur Bekämpfung der Umweltverschmutzung im ländlichen Raum und zur Einführung eines sauberen und nachhaltigen Verkehrs - ist ein wichtiger Akteur bei den Bemühungen zur Lösung der Energie- und Umweltkrise. Ein Nachteil von Lithium ist die Tatsache, dass es eine begrenzte Ressource ist. Sie ist nicht nur teuer, sondern auch (technisch) begrenzt (durch den Trocknungsprozess). Angesichts der gestiegenen Nachfrage nach batteriebetriebenen Geräten und insbesondere nach Elektroautos wird es immer dringlicher, eine Alternative zu Lithium zu finden - eine, die sowohl billig als auch reichlich vorhanden ist.

Natrium-Ionen-Batterien sind aus mehreren Gründen eine attraktive Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Natrium ist keine begrenzte Ressource - es ist sowohl in der Erdkruste als auch im Meerwasser reichlich vorhanden. Außerdem haben naturbasierte Komponenten die Möglichkeit, bei entsprechendem Kristallstrukturdesign eine wesentlich schnellere Ladezeit zu erreichen. Natrium kann jedoch nicht einfach gegen Lithium aus den aktuellen Batteriematerialien ausgetauscht werden, da es eine größere Ionengröße und eine etwas andere Chemie hat. Daher werden die Forscher gefordert, unter einer Vielzahl von Kandidaten das beste Material für eine Natrium-Ionen-Batterie durch Trial-and-Error-Ansatz zu finden.

Die Wissenschaftler von NITech haben einen rationalen und effizienten Weg gefunden, um dieses Problem zu lösen. Nach der Extraktion von etwa 4300 Verbindungen aus der Kristallstrukturdatenbank und einer Hochdurchsatzberechnung dieser Verbindungen erzielte eine von ihnen günstige Ergebnisse und war daher ein vielversprechender Kandidat für eine Natrium-Ionen-Batteriekomponente. Die Forscher identifizierten, dass Na2V3O7 eine wünschenswerte elektrochemische Leistung sowie Kristall- und Elektronikstrukturen aufweist. Diese Verbindung zeigt eine schnelle Ladeleistung, da sie innerhalb von 6 Minuten stabil geladen werden kann. Außerdem zeigten die Forscher, dass die Verbindung zu einer langen Akkulaufzeit und einer kurzen Ladezeit führt.

"Unser Ziel war es, die größte Hürde für Großbatterien in Anwendungen wie Elektroautos zu überwinden, die stark auf lange Ladezeiten angewiesen sind. Wir haben uns dem Problem mit einer Suche angenommen, die Materialien liefert, die effizient genug sind, um die Leistung einer Batterie zu erhöhen".

Trotz der günstigen Eigenschaften und der insgesamt erwünschten Auswirkungen auf Natrium-Ionen-Batterien fanden die Forscher heraus, dass Na2V3O7 in den letzten Ladestufen eine Verschlechterung erfuhr, die die praktische Speicherkapazität auf die Hälfte der theoretischen begrenzt. Daher wollen die Forscher in ihren zukünftigen Experimenten die Leistung dieses Materials verbessern, damit es über die gesamte Dauer der Ladestufen stabil bleibt. "Unser oberstes Ziel ist es, eine Methode zu etablieren, die es uns ermöglicht, Batteriematerialien durch eine Kombination aus rechnerischen und experimentellen Methoden effizient zu entwerfen", ergänzt Dr. Tanibata.

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