Wie Argonne-Forscher Natrium-Ionen-Batterien verbessern wollen
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Forschende am Argonne National Laboratory in den USA haben ein neues Kathodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien gefunden, in denen Lithium durch Natrium ersetzt wird, was Batterien für Elektroautos deutlich günstiger macht. „Unsere Berechnungen deuten darauf hin, dass eine Natrium-Ionen-Batterie ein Drittel weniger kosten kann als eine Lithium-Ionen-Batterie“, so Christopher Johnson, leitender Chemiker und Argonne-Stipendiat.
Das Batterieprogramm bei Argonne untersucht bereits seit weit mehr als einem Jahrzehnt Natrium-Ionen-Batterien, so der Forscher. „Und unser Design für die Kathodenstruktur macht Natrium-Ionen-Batterien zu einer attraktiven Alternative für günstigere und nachhaltigere Elektroautos“. Eine zuvor bei Argonne entwickelte Kathode ist Teil der Batterien, die den Chevy Volt und Bolt sowie einige andere Elektrofahrzeuge antreiben.
Das frühere Kathodenmaterial ist ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-(NMC)-Oxid mit einer Struktur, in der die Atome in Schichten angeordnet sind. Dabei können sich die Lithium-Ionen beim Be- und Entladen frei von der Kathode zur Anode und zurück bewegen. Auf der Grundlage von Erkenntnissen aus früheren Forschungen erfand Johnsons Team eine neue geschichtete Oxidkathode, die besser auf Natrium-Ionen-Batterien zugeschnitten sei. Diese Variation der NMC-Kathode besteht aus einem Natrium-Nickel-Mangan-Eisen-Oxid (NMF) Gemisch. Das Fehlen von Kobalt in der Kathodenformel mildert Kosten-, Knappheits- und Toxizitätsbedenken, die mit diesem Element verbunden sind.
Die Vorteile von Natrium-Ionen-Batterien
Das Interesse des Teams an Natrium-Ionen-Batterien ergibt sich aus vielen Vorteilen der Zellchemie. Zwei sind Nachhaltigkeit und Kosten. Natrium ist weitaus häufiger vorhanden und deutlich leichter abzubauen als Lithium. Es ist zu einem Bruchteil der Kosten pro Kilogramm zu haben und kaum anfällig für Preisschwankungen oder Störungen in der Lieferkette. Darüber hinaus enthält das neue Kathodenmaterial neben Natrium überwiegend Eisen und Mangan. Beide Elemente sind weltweit ebenfalls reichlich vorhanden. Ein weiterer Vorteil ist, dass Natrium-Ionen-Batterien ihre Ladekapazität bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt besser behalten können.
„Es gibt jedoch einen Haken bei dieser Wunderbatterie“, räumt Johnson ein: „Das verwendete Natrium ist etwa dreimal schwerer als Lithium, was das Gewicht der Batterie erheblich erhöht“. Und das zusätzliche Gewicht bringt eine verringerte Reichweite mit sich.
Bis heute hat dieser Nachteil Natrium-Ionen-Batterien daran gehindert, im Markt für Elektroautos Fuß zu fassen. Im Vergleich zu anderen Natrium-Ionen-Technologien habe die neue Kathode des Argonne-Teams jedoch eine deutlich höhere Energiedichte: genug, um Elektroautos mit einer Reichweite von etwa 290 bis 320 Kilometer zu ermöglichen. Was ausreichend wäre für Fahrerinnen und Fahrer, die kaum auf Langstrecken unterwegs sind und nach einem günstigen Elektroauto suchen.
Ein weiterer Mangel früherer Natrium-Ionen-Batterien ist die vergleichsweise kurze Lebensdauer. Mit dem Kathodenmaterial des Argonne-Teams sollen Natrium-Ionen-Batteriezellen eine ähnlich hohe Zyklenfestigkeit aufweisen wie Lithium-Ionen-Batterien. „Wir sind jetzt aus der Laborphase übergegangen zu Tests, die den Belastungen einer Elektroautobatterie entsprechen“, sagt Johnson. Diese Tests werden in der Zellanalyse-, Modellierungs- und Prototyping-Anlage von Argonne durchgeführt.
„Von dort aus hoffen wir, dass die NMF-Kathode an den Erfolg unserer NMC-Kathode anknüpft und für die Herstellung ausgewählt wird“, so Johnson. Sein Team arbeite zudem daran, verschiedene Materialien für die beiden anderen Hauptkomponenten einer Batterie – den Elektrolyt und die Anode – zu entwickeln, um die Energiedichte noch weiter zu steigern.
Natrium-Ionen-Batterien haben neben Elektroautos eine andere mögliche Anwendung. Insbesondere eignen sie sich gut für die Zwischenspeicherung erneuerbarer Energien, bei der das Gewicht weniger ein Problem und der Niedertemperaturbetrieb ein Plus ist. Stationäre Batterien für Netzdienstleitungen zur Speicherung volatiler Energie von Wind und Sonne sind ein rasant wachsender Markt für Batterien.
Quelle: Argonne – Pressemitteilung vom 08.01.2024
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