02.06.2022 - University of Houston

Studie identifiziert Alternative zur Lithium-basierten Batterietechnologie

Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit die bevorzugte Technologie für den Antrieb von Elektrofahrzeugen, aber sie sind zu teuer für Energiespeichersysteme mit langer Laufzeit im Netz, und Lithium selbst ist immer schwieriger zu beschaffen.

Obwohl Lithium viele Vorteile hat - hohe Energiedichte und die Fähigkeit, mit erneuerbaren Energiequellen kombiniert zu werden, um die Energiespeicherung auf Netzebene zu unterstützen - sind die Preise für Lithiumkarbonat so hoch wie nie zuvor. Zu den steigenden Kosten tragen pandemiebedingte Engpässe in der Lieferkette, der Russland-Ukraine-Konflikt und die verstärkte Nachfrage von Unternehmen bei. Hinzu kommt, dass viele Regierungen wegen der hohen Umweltkosten und möglicher Menschenrechtsverletzungen zögern, grünes Licht für Lithiumminen zu geben.

Da Regierungen und Industrien auf der ganzen Welt nach Möglichkeiten zur Energiespeicherung suchen, um den Übergang zu sauberer Energie voranzutreiben, deuten neue, an der University of Houston durchgeführte und in Nature Communications veröffentlichte Forschungsarbeiten darauf hin, dass die Natrium-Schwefel-Batterietechnologie bei Umgebungstemperatur eine brauchbare Alternative zur Lithium-Batterietechnologie für Energiespeichersysteme auf Netzebene darstellt.

Yan Yao, Cullen-Professor für Elektro- und Computertechnik, und seine Kollegen entwickelten einen homogenen glasartigen Elektrolyten, der eine reversible Natriumbeschichtung und -abscheidung bei einer höheren Stromdichte als bisher möglich ermöglicht.

"Auf der Suche nach neuen Festelektrolyten für Natriumbatterien müssen diese gleichzeitig kostengünstig sein, sich leicht herstellen lassen und eine unglaubliche mechanische und chemische Stabilität aufweisen", sagte Yao, der auch Leiter des Texas Center for Superconductivity an der University of Houston (TcSUH) ist. "Bislang konnte kein einziger Natrium-Festkörperelektrolyt alle vier Anforderungen gleichzeitig erfüllen."

Die Forscher fanden eine neuartige Form von Oxysulfid-Glaselektrolyten, die das Potenzial hat, alle diese Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. Die Elektrolyte wurden mit Hilfe eines Hochenergie-Kugelmahlverfahrens bei Raumtemperatur hergestellt.

"Das Oxysulfidglas hat eine ausgeprägte Mikrostruktur, die zu einer völlig homogenen Glasstruktur führt", sagt Ye Zhang, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter in Yaos Gruppe arbeitet. "An der Grenzfläche zwischen dem Natriummetall und dem Elektrolyten bildet der Festelektrolyt eine selbstpassivierende Zwischenphase, die für die reversible Abscheidung und Ablösung von Natrium unerlässlich ist.

Es hat sich als schwierig erwiesen, mit einem Sulfidelektrolyten eine stabile Beschichtung und Abscheidung von Natriummetall zu erreichen.

"Unsere Studie hat diese Sichtweise auf den Kopf gestellt, indem sie nicht nur die höchste kritische Stromdichte unter allen Na-Ionen-leitenden sulfidbasierten Festelektrolyten ermittelt hat, sondern auch leistungsstarke Natrium-Schwefel-Batterien bei Raumtemperatur ermöglicht", erklärte Yao.

"Die neuen strukturellen und kompositorischen Designstrategien, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, bieten ein neues Paradigma für die Entwicklung von sicheren, kostengünstigen, energiedichten und langlebigen Natrium-Festkörperbatterien", fügte Zhang hinzu.

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