Auf dem Weg zu einer besseren Batterie

Materialwissenschaftler entdecken Ursache für den Abbau in Natriumbatterien

19.07.2019 - USA

Batterien prägen unser Leben: Wir verlassen uns darauf, dass unsere Handys und Laptops brummen und unsere Hybrid- und Elektroautos auf der Straße bleiben. Aber die immer stärkere Akzeptanz der am häufigsten verwendeten Lithium-Ionen-Batterien kann tatsächlich zu erhöhten Kosten und möglichen Engpässen bei Lithium führen - deshalb werden Natrium-Ionen-Batterien intensiv als möglicher Ersatz erforscht. Sie leisten gute Arbeit, und Natrium, ein Alkalimetall, das eng mit Lithium verwandt ist, ist billig und reichlich vorhanden.

Hartwin Peelaers

Eine Abbildung veranschaulicht den wasserstoffbedingten Abbau einer Natrium-Ionen-Batterie: (1) Wenn Wasserstoff vorhanden ist (schwarz eingekreist), (2) kann sich ein Mn-Atom (violett) von der MnO2-Schicht zur Na-Schicht (gelb) bewegen; (3) Mn kann sich dann innerhalb der Na-Schicht bewegen und geht verloren.

Die Herausforderung? Natrium-Ionen-Batterien haben eine kürzere Lebensdauer als ihre lithiumbasierten Geschwister.

Nun haben der Computermaterialwissenschaftler Chris Van de Walle und Kollegen der UC Santa Barbara einen Grund für diesen Kapazitätsverlust in Natriumbatterien aufgedeckt: das unbeabsichtigte Vorhandensein von Wasserstoff, das zu einer Degradation der Batterieelektrode führt. Van de Walle und die Co-Autoren Zhen Zhu und Hartwin Peelaers veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Chemistry of Materials.

"Wasserstoff ist bei der Herstellung des Kathodenmaterials häufig vorhanden, oder er kann aus der Umgebung oder aus dem Elektrolyten aufgenommen werden", sagt Zhu, der jetzt bei Google ist. "Wasserstoff hat bekanntlich einen starken Einfluss auf die Eigenschaften von Elektronikmaterialien, daher waren wir neugierig auf seine Wirkung auf NaMnO2 (Natrium-Mangandioxid), ein gemeinsames Kathodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien." Um dies zu untersuchen, verwendeten die Forscher Computertechniken, die in der Lage sind, die strukturellen und chemischen Auswirkungen vorherzusagen, die durch das Vorhandensein von Verunreinigungen entstehen.

Professor Peelaers, jetzt an der University of Kansas, beschrieb die wichtigsten Ergebnisse: "Wir haben schnell erkannt, dass Wasserstoff sehr leicht in das Material eindringen kann und dass seine Anwesenheit es den Manganatomen ermöglicht, sich vom Manganoxid-Grundgerüst zu lösen, das das Material zusammenhält. Diese Entfernung von Mangan ist irreversibel und führt zu einer Kapazitätsabnahme und letztlich zu einem Abbau der Batterie."

Die Studien wurden in der Computational Materials Group von Van De Walle an der UC Santa Barbara durchgeführt.

"Frühere Forschungen hatten gezeigt, dass der Verlust von Mangan an der Grenzfläche mit dem Elektrolyten stattfinden könnte oder mit einem Phasenübergang verbunden sein könnte, aber es wurde nicht wirklich ein Auslöser identifiziert", sagte Van de Walle. "Unsere neuen Ergebnisse zeigen, dass der Verlust von Mangan überall im Material auftreten kann, wenn Wasserstoff vorhanden ist. Da Wasserstoffatome so klein und reaktiv sind, ist Wasserstoff eine häufige Verunreinigung in Materialien. Nachdem die nachteiligen Auswirkungen aufgezeigt wurden, können bei der Herstellung und Verkapselung der Batterien Maßnahmen ergriffen werden, um die Aufnahme von Wasserstoff zu unterdrücken, was zu einer besseren Leistung führen sollte."

Tatsächlich vermuten die Forscher, dass selbst die allgegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien unter den negativen Auswirkungen einer unbeabsichtigten Wasserstoffeinbindung leiden können. Ob dies weniger Probleme verursacht, weil die Herstellungsverfahren in diesem ausgereiften Materialsystem weiterentwickelt werden oder weil es einen wesentlichen Grund dafür gibt, dass die Lithium-Batterien widerstandsfähiger gegen Wasserstoff sind, ist derzeit nicht klar und wird ein Forschungsgebiet der Zukunft sein.

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