28.01.2020 - University of Southern Denmark - Syddansk Universitet

Werden die Superbatterien der Zukunft aus Meerwasser hergestellt?

Wir alle kennen die wiederaufladbaren und effizienten Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) in unseren Smartphones, Laptops und auch in Elektroautos.

Leider ist Lithium eine begrenzte Ressource, so dass es eine Herausforderung sein wird, die wachsende Nachfrage der Welt nach relativ billigen Batterien zu befriedigen. Deshalb suchen die Forscher jetzt nach Alternativen zur Li-Ionen-Batterie.

Eine vielversprechende Alternative ist der Ersatz von Lithium durch das Metall Natrium - zur Herstellung von Na-Ionen-Batterien. Natrium kommt in großen Mengen im Meerwasser vor und lässt sich leicht aus diesem extrahieren.

Die Na-Ionen-Batterie befindet sich noch in der Entwicklung, und die Forscher arbeiten daran, ihre Lebensdauer zu erhöhen, ihre Ladezeit zu verkürzen und Batterien herzustellen, die viele Watt liefern können, sagt Forschungsleiterin Dorthe Bomholdt Ravnsbæk von der Abteilung für Physik, Chemie und Pharmazie der Universität von Süddänemark.

Sie und ihr Team sind damit beschäftigt, neue und bessere wiederaufladbare Batterien zu entwickeln, die die heute weit verbreiteten Li-Ionen-Batterien ersetzen können.

Damit die Na-Ionen-Batterien eine Alternative werden, müssen bessere Elektrodenmaterialien entwickelt werden - etwas, das sie und Kollegen von der Technischen Universität und dem Massachusetts Institute of Technology, USA, in einer neuen Studie untersucht haben, die in der Zeitschrift ACS Applied Energy Materials veröffentlicht wurde.

Doch bevor wir uns die Einzelheiten dieser Studie ansehen, wollen wir uns ansehen, warum die Na-Ionen-Batterie das Potenzial hat, der nächste große Batterieerfolg zu werden.

Ein offensichtlicher Vorteil ist, dass Natrium eine sehr leicht verfügbare Ressource ist, die in sehr großen Mengen im Meerwasser vorkommt. Lithium hingegen ist eine begrenzte Ressource, die nur an wenigen Orten auf der Welt abgebaut wird, erklärt Dorthe Bomholdt Ravnsbæk.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Na-Ionen-Batterien kein Kobalt benötigen, das in Li-Ionen-Batterien immer noch benötigt wird. Der Großteil des heute zur Herstellung von Li-Ionen-Batterien verwendeten Kobalts wird in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut, wo Rebellion, unorganisierter Bergbau und Kinderarbeit Unsicherheit und moralische Bedenken hinsichtlich des Kobalthandels des Landes hervorrufen.

Auf der positiven Seite zählt auch, dass Na-Ionen-Batterien in denselben Fabriken hergestellt werden können, die heute Li-Ionen-Batterien herstellen.

In ihrer neuen Studie haben Dorthe Bomholdt Ravnsbæk und ihre Kollegen ein neues Elektrodenmaterial auf der Basis von Eisen, Mangan und Phosphor untersucht.

Das Neue an dem Material ist die Zugabe des Elements Mangan, das der Batterie nicht nur eine höhere Spannung (Volt) verleiht, sondern auch die Kapazität der Batterie erhöht und wahrscheinlich mehr Watt liefert. Dies liegt daran, dass die Transformationen, die auf atomarer Ebene während der Entladung und Ladung stattfinden, durch die Anwesenheit von Mangan erheblich verändert werden.

Ähnliche Effekte wurden bei Lithium-Ionen-Batterien beobachtet, aber es ist sehr überraschend, dass der Effekt in einer Na-Ionen-Batterie erhalten bleibt, da die Wechselwirkung zwischen der Elektrode und den Na-Ionen sehr unterschiedlich ist, sagt Dorthe Bomholdt Ravnsbæk.

Sie wird nicht versuchen, vorherzusagen, wann wir mit seewasserbasierten Na-Ionen-Batterien in unseren Telefonen und Elektroautos rechnen können, denn es gibt noch einige Herausforderungen, die es zu lösen gilt.

Eine Herausforderung besteht darin, dass es schwierig sein kann, kleine Na-Ionen-Batterien herzustellen. Aber auch große Batterien haben ihren Wert - zum Beispiel wenn es um die Speicherung von Wind- oder Sonnenenergie geht.

So wurde 2019 eine solch gigantische 100-kWh-Na-Ionen-Batterie eingeweiht, die von chinesischen Wissenschaftlern im Yangtze River Delta Physics Research Center getestet werden soll. Die riesige Batterie besteht aus mehr als 600 angeschlossenen Na-Ionen-Batteriezellen und versorgt das Gebäude, in dem sich das Zentrum befindet, mit Strom. Der in der Batterie gespeicherte Strom ist überschüssiger Strom aus dem Hauptnetz.

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