Jenseits von Lithium: BAM erforscht nachhaltige Batteriematerialien

Weltweit suchen Wissenschaftler*innen nach Alternativen zu Lithium-Akkus. Als vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien, doch die Anode ist bislang eine Schwachstelle. Die BAM entwickelt dazu in einem Kooperationsprojekt neuartige Kern-Schale-Verbundwerkstoffe, die zu effizienten Akkus mit verbesserter Sicherheit führen sollen.

Bisher beruhen elektrische Batterien, die E-Autos antreiben, als stationäre Stromspeicher dienen oder für industrielle Anwendungen genutzt werden, fast ausschließlich auf der Lithium-Ionen-Technologie.

Bei allen Vorzügen besitzt das Batteriematerial Lithium auch Nachteile: Die globalen Reserven des Alkali-Metalls sind begrenzt. Sein Abbau aus Salzwasser ist kostspielig und wenig umweltschonend. Zudem benötigen Lithium-Batterien aktuell für die Elektroden Cobalt und Nickel – Metalle, die ebenfalls unter problematischen Bedingungen abgebaut werden bzw. giftig sind.

Weltweit suchen Forscher*innen daher nach einer umweltschonenden Alternative zu Lithium. Als besonders vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien. Sie sind eine „Drop-in-Technologie“, können also auf die gängige Batterieproduktion übertragen werden. Zudem benötigen sie weder Cobalt noch Nickel. Vor allem aber ist Natrium als natürlicher Bestandteil von Kochsalz leicht verfügbar.

Als Schwachstelle von Natrium-Ionen-Batterien gilt bislang jedoch das Material des „Pluspols“, vereinfachend auch als Anode bezeichnet. Dieses Material ist der „Tank“ einer elektrischen Batterie, es soll im geladenen Zustand möglichst viele positive Natrium-Ionen speichern können. Somit ist es entscheidend für die Effizienz des Akkus.

An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) startet jetzt ein Berliner Kooperationsprojekt, das sich der Suche nach einem geeigneten Anoden-Material widmet, um die Natrium-Ionen-Technologie voranzubringen. Angesiedelt ist es im neuen Batterietestzentrum, das die BAM kürzlich eröffnet hat.

Statt Graphit, wie bei den etwas kleineren Lithium-Ionen, werden dazu bei Natrium-Ionen bisher sogenannte Hard Carbons verwendet. In den Poren und Gängen des ungeordneten Kohlenstoffs können sich jedoch nicht nur Natrium-Ionen einlagern, sondern es gelangt auch Elektrolyt, die Ionen-leitende Flüssigkeit der Batteriezelle, hinein. Das führt zu unerwünschten Verlusten der Speicherkapazität und geht somit auf Kosten der Effizienz.

„Es ist sehr komplex, die ideale Struktur für diese neuartigen Materialien zu finden. Wir wollen dafür maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe entwickeln, die möglichst vielen Natrium-Ionen Platz bieten, Elektrolyte aber fernhalten“, erklärt Tim-Patrick Fellinger, der das Verbundprojekt leitet und an der BAM Experte für Energiematerialien ist. „Die Herausforderung ist es, ein Material zu finden, das zugleich sicher und effizient ist.“

Beteiligt an dem Verbundprojekt sind das Helmholtz-Zentrum Berlin und die TU Berlin sowie mehrere Unternehmen, die sich auf Kohlenstoffmaterialien für Batterien spezialisiert haben. „Der schnelle Wissensaustausch mit der Industrie ist uns wichtig, daher freue ich mich über die Beteiligungen“, so Fellinger. „Wenn wir mit unserem Konzept erfolgreich sind, würde dies einen großen Innovations-Schub für die Natrium-Ionen-Technologie insgesamt bedeuten.“

Gefördert wird das Verbundprojekt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderung „Batterie 2020 Transfer“.

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