Neuartige Dualkationenbatterie der University of Limerick kombiniert Natrium und Lithium für höhere Reichweite
Die Entwicklung im Bereich der Energiespeichertechnologie ist zunehmend durch die Notwendigkeit bestimmt, die Abhängigkeit von knappen und teuren Ressourcen wie Lithium zu reduzieren. Natrium-Ionen-Batterien (NIB) stellen eine vielversprechende, kostengünstige und potenziell nachhaltigere Alternative dar, weisen jedoch bislang oft eine geringere Energiedichte und eine reduzierte Zyklenstabilität im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus (LIB) auf.
Wissenschaftler des Bernal Institute an der University of Limerick (UL) unter der Leitung von Dr. Hugh Geaney und Dr. Syed Abdul Ahad haben nun einen innovativen Weg vorgestellt, die Stärken beider Alkalimetalle zu vereinen. Sie entwickelten die erste Full-Cell Dual-Cation Battery mit einem Natrium-dominanten Elektrolyten, der zusätzlich Lithium-Kationen enthält.
Germanium, Pyrit und der Ladebooster-Effekt
Der Aufbau der Zelle weicht von konventionellen Natriumbatterien ab. Die Forschenden setzten eine Anode aus Germanium-Nanodrähten ein, die den Transport der Natrium-Ionen durch den Elektrolyten erleichtern soll. Als Kathodenmaterial diente Pyrit. Das Kernstück der Neuerung ist jedoch der Elektrolyt selbst.
Im Gegensatz zu Einzelkationen-Batterien, die ausschließlich Ionen einer Art, z. B. nur Natrium, verwenden, arbeiten in diesem System Lithium- und Natrium-Ionen während des Lade- und Entladevorgangs zusammen. Laut den Forschern agieren die Lithium-Ionen dabei als „Kapazitätsverstärker“ oder „Ladebooster“ für die Natrium-Ionen.
Verdoppelte Kapazität und hohe Zyklenstabilität
Die Performance-Ergebnisse des Labormodells zeigen eine signifikante Verbesserung gegenüber reinen Natriumbatterien. Während eine Natrium-only-Zelle nach etwa 50 Ladezyklen eine deutliche Leistungsminderung erfuhr, lieferte die Dualkationenbatterie laut den Forschenden auch nach 540 Ladezyklen noch eine stabile Ladekapazität.
Die kombinierte Nutzung beider Ionen im dualen Elektrolyten ermöglichte eine Verdopplung der Kapazität im Vergleich zu einem reinen Natriumbatteriesystem. Diese erhöhte Energiedichte ist der entscheidende Faktor für eine größere Reichweite in Elektrofahrzeugen (EVs) und eine längere Laufzeit in tragbaren Geräten. Die Labortests zeigten weiter, dass die Zelle nach 1.000 Ladezyklen immer noch eine Kapazität von 80 Prozent aufwies.
Dr. Hugh Geaney kommentierte den Durchbruch mit den Worten:
„Wir haben erstmals gezeigt, dass Natrium-Ionen-Batterien durch die Kombination von Natrium und Lithium in einem natriumdominanten Dualkationen-Elektrolyten 'supergeladen' werden können.“
Ausblick: Kostenreduktion und weitere Materialkombinationen
Die Vorteile des neuen Systems könnten über die reine Leistung hinausgehen. Durch die Beibehaltung von Natrium als dominantem Kation soll die Batterie günstiger und sicherer als reine Lithium-Ionen-Akkus sein, während sie deren wichtigstes Leistungsmerkmal – die hohe Energiedichte – annähernd erreicht. Dies könnte E-Autos kostengünstiger machen, ohne Abstriche bei der Reichweite hinnehmen zu müssen. Zudem werde die Abhängigkeit von teuren Materialien wie Kobalt reduziert.
Das Forschungsteam plant, die Studie auszuweiten und alternative Ionenpaarungen wie Lithium-Magnesium und Kalium-Lithium sowie Anoden auf Siliziumbasis zu testen. Die größte Herausforderung bleibt die Skalierung der Technologie vom Labormuster zu einem kommerziell realisierbaren, großformatigen Akku für die industrielle Fertigung.
