Wie ein 270 Jahre alter Physik-Trick eine erschwingliche Batterietechnologie revolutionieren könnte

Forscher verbinden historische Physik mit moderner Werkstofftechnik, um langlebige Natriumbatterien zu entwickeln

10.03.2026

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Vor rund 270 Jahren beobachtete Dr. Johann Gottlob Leidenfrost aus Deutschland ein merkwürdiges Verhalten von Wassertropfen auf erhitzten Metalloberflächen. In seinem Manuskript "A Tract über einige Eigenschaften des gewöhnlichen Wassers" beschrieb er, wie Wasser über überhitzte Metalloberflächen glitt, als ob es keine Reibung mehr gäbe. Dieses Phänomen tritt auf, wenn Wasser oder eine andere Flüssigkeit auf Oberflächen weit oberhalb ihres Siedepunkts ein Dampfpolster bildet, das es ihnen ermöglicht, unberührt zu gleiten.

Dieses als Leidenfrost-Effekt bekannte Phänomen ist der Grund, warum Pfannen aus rostfreiem Stahl bei hohen Temperaturen plötzlich antihaftbeschichtet werden. Aber was hat eine 270 Jahre alte Beobachtung mit der Entwicklung von nachhaltigen Energiespeichersystemen zu tun? In einer kürzlich in der Zeitschrift Small veröffentlichten Studie hat ein Team von Forschern des Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Bhopal, des Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), der Swansea University und der University of Southern Queensland untersucht, wie dieser ungewöhnliche physikalische Effekt dazu beitragen kann, stabilere und langlebigere Batterien zu entwickeln, die sich als praktische Alternative zur Lithium-Ionen-Technologie (Li-Ion) erweisen könnten.

Da sich die Welt auf erneuerbare Energien umstellt, war die Nachfrage nach besseren Batterien noch nie so groß wie heute. "Lithium-Ionen-Batterien treiben derzeit alles an, von unseren Smartphones bis zu Elektroautos", so Dr. Rohit Ranganathan Gaddam. Er ist einer der Hauptautoren der Studie und Assistenzprofessor am IISER Bhopal, wo er die Clean Energy Research Group leitet und sich auf die Überwindung von Engpässen in den heutigen Energiespeichersystemen konzentriert. "Lithium ist jedoch relativ selten und teuer in der Gewinnung, so dass eine umweltfreundlichere, kostengünstige Alternative erforderlich ist.

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Natrium wird seit langem als potenzieller Ersatz für Lithium gehandelt. Als allgegenwärtiges Element, das in Meerwasser, Salz und sogar im Blut vorkommt, ist Natrium billig und leicht zu beschaffen. Dies macht Natrium-Ionen-Batterien zu einem guten Kandidaten für die Energiespeicherung in großem Maßstab, insbesondere für erneuerbare Energien. Aber die Sperrigkeit der Natriumionen stellt ein großes Hindernis dar. Die schwereren Ionen erdrücken und verschleißen die Kathode, den positiven Pol einer Batterie, der als Energiespeicher dient. Damit eine Natriumbatterie gut funktioniert, muss das für die Kathode verwendete Material es den Natriumionen ermöglichen, sich schnell und wiederholt zu bewegen, ohne die Struktur zu beschädigen. Es gibt viele vielversprechende Materialien, aber oft fehlt es ihnen an Geschwindigkeit, Stabilität oder langfristiger Haltbarkeit.

"Wir beschlossen, die richtige Kathodeninfrastruktur zu bauen, eine atomare Autobahn, damit die Natriumionen hindurchzischen können", fügt Subhajit Singha, Erstautor und Doktorand am IISER Bhopal, hinzu. Das Team verwendete Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇), ein Phosphat-Pyrophosphat-Gemisch auf Eisenbasis, das von Natur aus eine stabile 3D-tunnelartige Struktur bildet. Da die Forscher die Leitfähigkeit und die energetischen Nachteile von rein eisenbasierten Kathodenmaterialien kannten, fügten sie der Mischung einen kleinen Anteil Indium hinzu.

Es wurde festgestellt, dass durch den Ersatz von nur 1 % der Eisenatome durch Indium der atomare Abstand innerhalb des potenziellen Kathodenmaterials vergrößert wurde, ohne dass sich sein grundlegender Bauplan änderte. Dadurch konnten die Natriumionen leichter durchschlüpfen und die elektronische Leitfähigkeit des Kathodenmaterials, ein Markenzeichen von Hochleistungsbatterien, wurde verbessert.

Neben den Änderungen an der Rezeptur des Kathodenmaterials führte das Team auch eine Neuerung im Herstellungsprozess ein. "Wir haben uns die Grundlagen des Leidenfrost-Effekts zunutze gemacht, um Kathodenmaterialien herzustellen, die länger halten als die derzeit auf dem Markt erhältlichen", so Dr. Gaddam. Sie sprühten die chemische Mischung auf eine Metalloberfläche, die heiß genug war, um den Leidenfrost-Effekt auszulösen. Als die Tröpfchen auf die glühende Platte trafen, verdampften sie blitzartig, verschmolzen zu porösen Partikeln und wurden zu Pulver gebacken. Bei dieser schnellen, umweltfreundlichen Methode werden energieintensive Öfen übersprungen, und es entstehen schwammartige Körner, die sich mit Elektrolytflüssigkeit vollsaugen und so für einen reibungsloseren Transport des Natriums sorgen.

Fortgeschrittene Messungen und Rechensimulationen lieferten Einblicke in die Umstrukturierung auf atomarer Ebene. Die Ergebnisse zeigten, wie Indium die atomare Struktur subtil umstrukturiert, wodurch die Ionenbahnen erweitert, die Energiebarrieren gesenkt, die Leitfähigkeit verbessert und die Kristallstruktur des potenziellen Kathodenmaterials über Tausende von Zyklen hinweg intakt gehalten wird.

"Das optimierte Kathodenmaterial wies eine hohe Energiedichte von ~359 Wh kg-1 und eine bemerkenswerte Haltbarkeit mit einer stabilen Leistung über 10.000 Lade-Entlade-Zyklen auf", sagte Dr. Raghavan Ranganathan, Mitautor und außerordentlicher Professor am IITGN-Fachbereich für Werkstofftechnik. Zum Vergleich: Die meisten Telefon- oder Laptop-Batterien halten nur einige hundert Zyklen. Damit ist das erzeugte Kathodenmaterial ideal für die Speicherung erneuerbarer Energien in Systemen, die eine lange Lebensdauer erfordern.

Für Indien, das bis 2030 eine Leistung von 500 GW aus erneuerbaren Energien anstrebt, könnte eine vergrößerte, industriell getestete Version von Natrium-Ionen-Batterien mit der neuartigen Kathode eine erschwingliche Netzspeicherung bedeuten, um Solar- und Windenergie ohne Stromausfälle nutzen zu können. "Unsere Studie zeigt, dass eine strategische Modifikation auf atomarer Ebene in Kombination mit einem einfachen und skalierbaren Syntheseweg eine Leistung freisetzen kann, die bisher für Natrium-Ionen-Batteriekathoden unerreichbar war", so Dr. Gaddam.

Im Einklang mit den nationalen Energiemissionen und den Zielen der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung 7 (erschwingliche saubere Energie) und 11 (Klimaschutz) ist die Studie ein Schritt zur Verringerung der Abhängigkeit von Lithium, zur Erleichterung gerechterer Lieferketten und zur Ermöglichung der erschwinglichen Speicherung von Ökostrom. "Diese Verschmelzung von experimentellem und rechnerischem Fachwissen über Institutionen und Kontinente hinweg beweist, dass historische Eigenheiten wie Leidenfrost moderne Zentren für nachhaltige Innovation schaffen können", sagte Dr. Ranganathan.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Originalveröffentlichung

Subhajit Singha, Yuvraj Soni, Sharad Dnyanu Pinjari, Tasdique Arman, Rui Tan, Raghavan Ranganathan, Ashok Kumar Nanjundan, Rohit Ranganathan Gaddam; "Leidenfrost‐Assisted Synthesis of Indium‐Substituted Mixed Phosphate Cathodes with Superior Cycling Stability and Enhanced Sodium Storage Kinetics"; Small, 2026-2-4

https://www.chemie.de/news/1188251/wie-ein-270-jahre-alter-physik-trick-eine-erschwingliche-batterietechnologie-revolutionieren-koennte.html