08.12.2021 - University of Texas at Austin

Neue Entdeckung bringt Batterie-"Traumtechnologie" einen Schritt näher an die Realität

"Ich nenne es eine Traumtechnologie, denn Natrium und Schwefel sind reichlich vorhanden, umweltfreundlich und das Günstigste, was man sich vorstellen kann"

Eine Natrium-Schwefel-Batterie, die von Ingenieuren der University of Texas in Austin entwickelt wurde, löst eine der größten Hürden, die die Technologie als kommerziell nutzbare Alternative zu den allgegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien, die alles von Smartphones bis zu Elektrofahrzeugen antreiben, behindert hat.

Natrium und Schwefel bieten sich als attraktive Materialien für die künftige Batterieproduktion an, da sie billiger und besser verfügbar sind als Materialien wie Lithium und Kobalt, bei denen auch Umwelt- und Menschenrechtsbedenken bestehen. Aus diesem Grund haben Forscher in den letzten zwei Jahrzehnten daran gearbeitet, Batterien auf Natriumbasis bei Raumtemperatur lebensfähig zu machen.

"Ich nenne es eine Traumtechnologie, denn Natrium und Schwefel sind reichlich vorhanden, umweltfreundlich und das Günstigste, was man sich vorstellen kann", sagt Arumugam Manthiram, Direktor des Texas Materials Institute der UT und Professor am Walker Department of Mechanical Engineering. "Mit der zunehmenden Elektrifizierung und dem steigenden Bedarf an erneuerbaren Energiespeichern werden Kosten und Erschwinglichkeit der wichtigste Faktor sein."

Bei einem der beiden jüngsten Fortschritte der UT Austin im Bereich der Natriumbatterien haben die Forscher die Zusammensetzung des Elektrolyts optimiert, der Flüssigkeit, die die Bewegung der Ionen zwischen Kathode und Anode erleichtert, um das Laden und Entladen der Batterien zu stimulieren. Sie bekämpften das bei Natriumbatterien häufig auftretende Problem des Wachstums nadelartiger Strukturen, so genannter Dendriten, auf der Anode, die dazu führen können, dass sich die Batterie schnell entlädt, kurzschließt und sogar Feuer fängt oder explodiert.

Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in einem kürzlich erschienenen Artikel im Journal of the American Chemical Society.

In früheren Elektrolyten für Natrium-Schwefel-Batterien lösten sich die aus Schwefel gebildeten Zwischenverbindungen im flüssigen Elektrolyten und wanderten zwischen den beiden Elektroden innerhalb der Batterie. Diese Dynamik, das so genannte Shuttling, kann zu Materialverlusten, zur Zersetzung von Komponenten und zur Bildung von Dendriten führen.

Die Forscher haben einen Elektrolyten entwickelt, der verhindert, dass sich der Schwefel auflöst, und so die Probleme des Shuttling und der Dendritenbildung löst. Dies ermöglicht eine längere Lebensdauer der Batterie, die über 300 Lade- und Entladezyklen hinweg eine stabile Leistung zeigt.

"Wenn man eine Menge Zucker in Wasser gibt, wird es sirupartig. Nicht alles wird aufgelöst", sagt Amruth Bhargav, Doktorand in Manthirams Labor. "Manche Dinge sind halb gebunden und halb aufgelöst. In einer Batterie wollen wir, dass alles halb gelöst ist."

Der neue Batterieelektrolyt wurde in ähnlicher Weise entwickelt, indem eine konzentrierte Salzlösung mit einem inerten, unbeteiligten Lösungsmittel verdünnt wurde, wodurch der "halbgelöste" Zustand erhalten blieb. Die Forscher fanden heraus, dass ein solcher Elektrolyt die unerwünschten Reaktionen an den Elektroden verhindert und somit die Lebensdauer der Batterie verlängert.

Der Preis für Lithium ist im vergangenen Jahr in die Höhe geschnellt, was den Bedarf an Alternativen unterstreicht. Der Lithiumabbau wurde wegen seiner Umweltauswirkungen kritisiert, unter anderem wegen des hohen Grundwasserverbrauchs, der Boden- und Wasserverschmutzung und der Kohlenstoffemissionen. Im Vergleich dazu ist Natrium im Meer verfügbar, billiger und umweltfreundlicher.

Lithium-Ionen-Batterien verwenden in der Regel auch Kobalt, das teuer ist und hauptsächlich in der Demokratischen Republik Kongo in Afrika abgebaut wird, wo es erhebliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt hat. Letztes Jahr stellte Manthiram eine kobaltfreie Lithium-Ionen-Batterie vor.

Die Forscher planen, auf ihrem Durchbruch aufzubauen, indem sie ihn mit größeren Batterien testen, um zu sehen, ob er auf Technologien wie Elektrofahrzeuge und die Speicherung erneuerbarer Ressourcen wie Wind und Sonne anwendbar ist.

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