Das Labor für Energiespeicherung und -umwandlung (LESC) unter der Leitung von Professorin Y. Shirley Meng an der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering hat die weltweit erste anodenfreie Natrium-Festkörperbatterie entwickelt.
Ein bahnbrechender Schritt in Richtung erschwinglicher, schneller aufladbarer Hochkapazitätsbatterien
Durch diese Forschung hat das LESC, eine Zusammenarbeit zwischen der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering und dem Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering der University of California San Diego, einen bedeutenden Fortschritt erzielt. Die Realität kostengünstiger, schnell aufladbarer und leistungsstarker Batterien für Elektrofahrzeuge und Netzspeicher ist näher denn je.
„Obwohl es bereits zuvor Natrium-, Festkörper- und anodenfreie Batterien gab, konnte bisher niemand diese drei Ideen erfolgreich kombinieren“,
sagte Grayson Deysher, Doktorand an der UC San Diego und Erstautor eines neuen Papiers, das die Arbeit des Teams beschreibt.
Neuer Batterietyp mit stabiler Zyklusfähigkeit
Das heute in Nature Energy veröffentlichte Papier zeigt eine neue Natriumbatteriearchitektur mit stabilen Ladezyklen über mehrere hundert Zyklen. Durch den Verzicht auf die Anode und die Nutzung von preiswertem und reichlich vorhandenem Natrium anstelle von Lithium wird diese neue Batterieform kostengünstiger und umweltfreundlicher in der Produktion. Das innovative Festkörperdesign sorgt zudem für eine sichere und leistungsstarke Batterie.
„Um die USA eine Stunde lang mit Energie zu versorgen, müssen wir eine Terawattstunde Energie erzeugen“,
sagte Meng.
„Um unsere Mission der Dekarbonisierung unserer Wirtschaft zu erreichen, benötigen wir mehrere hundert Terawattstunden an Batterien. Wir brauchen mehr Batterien, und wir brauchen sie schnell.“
Nachhaltigkeit und Natrium
Lithium, das üblicherweise für Batterien verwendet wird, ist relativ selten. Es macht etwa 20 Teile pro Million der Erdkruste aus, verglichen mit Natrium, das 20.000 Teile pro Million ausmacht. Diese Knappheit, kombiniert mit der steigenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien für Laptops, Telefone und Elektrofahrzeuge, hat die Preise in die Höhe getrieben und die benötigten Batterien weiter unerschwinglich gemacht.
Die Lithiumvorkommen sind zudem konzentriert. Das “Lithium-Dreieck” von Chile, Argentinien und Bolivien hält mehr als 75 % der weltweiten Lithiumvorräte, mit weiteren Vorkommen in Australien, North Carolina und Nevada. Dies begünstigt einige Nationen gegenüber anderen in der notwendigen Dekarbonisierung zur Bekämpfung des Klimawandels.
„Globale Maßnahmen erfordern eine Zusammenarbeit, um an kritische Materialien zu gelangen“,
sagte Meng.
Die Gewinnung von Lithium ist ebenfalls umweltschädlich, sei es durch die Verwendung industrieller Säuren zur Zersetzung von Erz oder durch die häufiger angewandte Soleextraktion, bei der massive Mengen Wasser an die Oberfläche gepumpt werden, um zu trocknen.
Natrium, das häufig in Meerwasser und Soda-Asche-Bergbau vorkommt, ist ein von Natur aus umweltfreundlicheres Batteriematerial. Die Forschung des LESC hat es zudem zu einem leistungsstarken Material gemacht.
Innovative Architektur
Um eine Natriumbatterie mit der Energiedichte einer Lithiumbatterie zu schaffen, musste das Team eine neue Natriumbatteriearchitektur entwickeln. Traditionelle Batterien haben eine Anode zur Speicherung der Ionen während des Ladevorgangs. Während der Nutzung fließen die Ionen von der Anode durch einen Elektrolyten zu einem Stromsammler (Kathode) und versorgen dabei Geräte und Autos.
Anodenfreie Batterien entfernen die Anode und speichern die Ionen auf einer elektrochemischen Ablagerung von Alkalimetall direkt auf dem Stromsammler. Dieser Ansatz ermöglicht eine höhere Zellspannung, geringere Zellkosten und erhöhte Energiedichte, bringt jedoch eigene Herausforderungen mit sich.
„In jeder anodenfreien Batterie muss ein guter Kontakt zwischen dem Elektrolyten und dem Stromsammler bestehen“,
sagte Deysher. „Dies ist normalerweise sehr einfach, wenn ein flüssiger Elektrolyt verwendet wird, da die Flüssigkeit überall hinfließen und jede Oberfläche benetzen kann. Ein fester Elektrolyt kann dies nicht.“
Ein Feststoff, der fließt
Das Team verfolgte einen neuartigen, innovativen Ansatz für dieses Problem. Anstatt einen Elektrolyten zu verwenden, der den Stromsammler umgibt, schufen sie einen Stromsammler, der den Elektrolyten umgibt. Sie stellten ihren Stromsammler aus Aluminiumpulver her, einem Feststoff, der wie eine Flüssigkeit fließen kann.
Während der Batterieassemblierung wurde das Pulver unter hohem Druck verdichtet, um einen festen Stromsammler zu bilden, der einen flüssigkeitsähnlichen Kontakt mit dem Elektrolyten beibehält und somit die kostengünstige und hocheffiziente Zyklisierung ermöglicht, die diese bahnbrechende Technologie voranbringen kann.
„Natrium-Festkörperbatterien werden oft als eine Technologie der fernen Zukunft angesehen, aber wir hoffen, dass dieses Papier mehr Anstoß für das Natriumgebiet geben kann, indem wir zeigen, dass sie tatsächlich gut funktionieren kann, in einigen Fällen sogar besser als die Lithiumversion“,
sagte Deysher.
Das ultimative Ziel? Meng stellt sich eine Energiewende mit einer Vielzahl von sauberen, kostengünstigen Batterieoptionen vor, die erneuerbare Energie speichern und den gesellschaftlichen Bedarf skalieren können.
Meng und Deysher haben eine Patentanmeldung für ihre Arbeit über das UC San Diego Office of Innovation and Commercialization eingereicht.
