Wissenschaftler hinterfragen das Rätsel um die Stabilität von Natrium-Ionen-Batterien • The Register

Jan 13, 2024

Die Welt rückt näher daran, Lithium in Batterien durch Natrium zu ersetzen – und Forscher der Cornell University glauben, einen Weg gefunden zu haben, Stabilitätsprobleme in der aufkommenden Energiespeichertechnologie anzugehen.

Indem Forscher während des Ladevorgangs einen hochsynchronisierten Röntgenstrahl auf eine Natriumionenbatterie schossen, konnten sie nach eigenen Angaben vorübergehende Kristalldefekte erkennen, die nur dann auftraten, wenn die Batterie in Gebrauch war und im Ruhezustand verschwinden, so das Team sein Papier.

„Wenn wir uns die Batterie vor und nach dem ersten Lade-Entlade-Zyklus ansehen würden, würden wir keine Defekte erkennen. Aber während der Operation sehen wir, wie sich die Defekte bilden und selbstheilen und erkennbare ‚Narben‘ hinterlassen“, sagt Andrej Singer , leitender Forscher und Fakultätsmitarbeiter am Department of Material Science and Engineering der Cornell University.

Natrium-Ionen-Batterien waren in den letzten Jahren führend in der Batterieforschung, doch beim Laden und Entladen verschlechtern sie sich schnell, und ihre kurze Lebensdauer macht sie als Ersatz für langlebige Lithium-Ionen-Batterien weit weniger geeignet.

Während diese Entdeckung zukünftigen Forschern helfen könnte, besser zu verstehen, wie die Kathoden in Natriumionenbatterien funktionieren, sagte das Team, dass sie den Mechanismus hinter ihrer Entstehung immer noch nicht ganz verstehen. Mithilfe metallurgischer Modelle konnten sie jedoch die Bewegung der vorübergehenden Defekte über die Kathode vorhersagen.

Mit diesem Wissen ausgestattet, plant das Team des Cornell/University of California, San Diego/University of Chicago/Argonne National Laboratory nun zu untersuchen, wie die Defekte mit dem Prozess der Ionendiffusion beim Laden und Entladen der Batterie interagieren. Singer sagte, die Defekte deuten darauf hin, dass die Partikelform bei diesem Interaktionsprozess eine Rolle spielt, etwas, das er und sein Team weiter erforschen wollen.

„Jahrhundertelang nutzten Schmiede die Defekttechnik in Metallen, um stärkere und haltbarere Materialien zu schaffen, ohne es überhaupt zu merken“, sagte Singer und fügte hinzu, dass er hofft, dass die Verwendung eines Defekt-Engineering-Ansatzes bei Natriumionenkathoden zur Lösung des Stabilitätsproblems beitragen könnte.

Viele verschiedene Branchen beziehen Nachhaltigkeit in ihre zukünftigen Produkt-Roadmaps ein, und bei Batterien ist das nicht anders. Lithium ist ein weitaus selteneres und viel teureres Material als Natrium, das weltweit reichlich vorhanden ist, chemisch dem Lithium ähnelt und relativ kostengünstig ist.

Die chinesischen Batteriehersteller BYD und CATL arbeiten beide aktiv an Natrium-Ionen-Batterien, die Degradationsprobleme vermeiden, und kürzlich wurde berichtet, dass beide Firmen planen, noch in diesem Jahr gemischte Lithium-Natrium-Ionen-Batterien in in China hergestellten Elektrofahrzeugen einzusetzen.

Bei anderen Formen der Batterietechnologie sind die USA bereits zum Nachzügler geworden, und allen Berichten zufolge ist China bereit, den Markt für Natriumionenbatterien zu erobern, sobald diese produktionsreif sind.

Laut der New York Times befinden sich 16 von 20 derzeit geplanten oder im Bau befindlichen Natriumbatteriefabriken in China; In zwei Jahren werden 95 Prozent der weltweiten Produktionskapazität für Natriumbatterien China gehören.

Während es möglich ist, Natrium für Batterien aus Quellen wie Meersalz und anderen Formen von Natriumchlorid zu raffinieren, stammt ein Großteil davon aus Quellen wie Soda oder Natriumcarbonat, der größten Natriumquelle für industrielle Anwendungen. Wyoming beispielsweise beherbergt eine der größten jemals entdeckten Soda-Quellen, die in den USA weit verbreitet sind und als Natriumquelle für Batterien dienen könnten.

Natürliches Soda lässt sich weitaus nachhaltiger raffinieren als Lithium, aber in China, wo in den nächsten Jahren wahrscheinlich die meisten Natriumionenbatterien hergestellt werden, dominiert synthetisches Soda, das nach dem Solvay-Verfahren hergestellt wird.

Das Solvay-Verfahren zur Herstellung von Chinas synthetischem Natriumcarbonat ist chemisch aufwendig und erfordert viel Wärme, typischerweise Kohle, was bedeutet, dass Chinas Natriumionenbatterien wahrscheinlich nicht die nachhaltige Lösung sein werden, die die Welt braucht. ®

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