Neue Natrium-Ionen-Batterie lädt dank Graphen-Hülle schneller und hält länger

Natrium-Ionen-Akkus bieten zahlreiche Vorteile, darunter günstige und reichlich verfügbare Rohstoffe, eine sicherere Zellchemie und eine hohe Leistungsfähigkeit bei Minusgraden. Allerdings geht eine Stärke häufig zulasten einer anderen. Die Zellen lassen sich zwar schnell laden, verschleißen dabei aber schneller als die in Elektroautos weitverbreiteten LFP-Akkus.

Eine längere Lebensdauer ist ebenfalls möglich, setzt bislang jedoch langsames Laden voraus. Eine neue Studie aus China, dem Zentrum der Forschung und Produktion von Natrium-Ionen-Akkus, deutet darauf hin, dass sich dieser Zielkonflikt vollständig vermeiden lässt.

Das Forschungsteam hat eine Anode aus jeweils nur rund 10 nm großen Titandioxid-Nanoblättchen entwickelt, die zu hohlen Kugeln mit doppelter Schale angeordnet sind. Jedes Blättchen ist von einer lediglich 0,4 nm dicken, graphenähnlichen Kohlenstoffschicht umhüllt. Diese erhöht die Leitfähigkeit von 1,86 x 10⁻⁸ S/cm beim unbeschichteten Material auf 3,55 x 10⁻⁴ S/cm. Das bloße Beimischen von Graphen hat dagegen kaum etwas bewirkt. Entscheidend ist somit auch die neuartige Struktur mit einer Graphenhülle um die Nanoblättchen.

Bei einer Laderate von 10C, die einer Ladezeit von sechs Minuten entspricht, hat die Anode 10.000 Zyklen überstanden und eine spezifische Kapazität von 131mAh pro Gramm geliefert. Selbst bei 100C, also einer vollständigen Ladung in ungefähr einer halben Minute, sind noch 121mAh pro Gramm erreicht worden. Die unbeschichteten Nanoblättchen sind bereits nach 400 Zyklen zusammengebrochen, während die Struktur mit der graphenähnlichen Schutzhülle intakt geblieben ist.

Auch bei der Flächenbeladung, einer häufigen Schwachstelle von Laborversuchen, hat sich das Konzept bewährt. Elektroden mit bis zu 10,5 Milligramm pro cm² haben bei niedrigen Raten 2,13mAh/cm² und bei hohem Strom noch 0,567mAh/cm² geliefert. Oberhalb von 1 Ampere pro Gramm verliert kommerzieller Hartkohlenstoff laut dem Team sein Spannungsplateau im niedrigen Spannungsbereich und büßt schnell an Kapazität ein. Die neue Anode bleibt dagegen leistungsfähig. Die Forscher haben außerdem eine Vollzelle mit einer Natriumvanadiumphosphat-Kathode gebaut, die bei 2 Ampere pro Gramm über 170 Zyklen durchgehalten hat.

Schnellladen und Lebensdauer bei Natrium-Ionen-Akkus

Schnelles Laden und eine lange Lebensdauer stellen gegensätzliche Anforderungen an einen Akku. Beides hängt davon ab, wie sich die Elektrodenoberfläche verhält und wie die Elektrode mechanische Belastungen verkraftet. Für schnelles Laden sind kleine, frei zugängliche Strukturen nötig. Natrium-Ionen sind allerdings größer als Lithium-Ionen und bewegen sich nur langsam durch feste Materialien. Deshalb wird das Material zu winzigen Nanoblättchen verkleinert. So müssen die Ionen nur kurze Wege zurücklegen und können an der Oberfläche gespeichert werden. Dadurch entsteht jedoch eine sehr große Oberfläche. In der Studie haben die unbeschichteten Nanoblättchen beispielsweise 261 Quadratmeter pro Gramm erreicht, gegenüber 76 Quadratmetern pro Gramm bei gewöhnlichen Nanopartikeln.

Eine lange Lebensdauer erfordert dagegen eine möglichst geringe freiliegende Oberfläche. Jeder Kontakt mit dem Elektrolyten führt zu Reaktionen, bei denen die Schutzschicht weiter wächst und Natrium verbraucht. Laut den Studiendaten haben die unbeschichteten Nanoblättchen bereits im ersten Zyklus fast die Hälfte ihres Natriums verloren. Ihr anfänglicher Wirkungsgrad hat bei 55,6 Prozent gelegen, gegenüber 80,1 Prozent bei der beschichteten Variante. Beim Schnellladen werden die Ionen zudem rasch in die Elektrode eingebracht, sodass diese mit jedem Zyklus stark anschwillt und wieder schrumpft. Die empfindlichen Nanoblättchen bekommen Risse, die Schutzschicht bricht auf und bildet sich erneut. Schließlich zerfällt die gesamte Struktur. Tatsächlich sind die unbeschichteten Nanoblättchen schon nach 400 Zyklen zusammengebrochen. Die Graphenhülle leitet dagegen Elektronen und ermöglicht damit schnelles Laden. Zugleich hält sie die Blättchen zusammen und begrenzt den direkten Kontakt mit dem Elektrolyten. Die Analyse hat gezeigt, dass sich auf der beschichteten Variante eine dünnere Schutzschicht aus Natriumphosphat mit einem höheren anorganischen Anteil bildet. So lassen sich die Geschwindigkeitsvorteile der Nanostruktur nutzen, ohne die Lebensdauer im gleichen Maß zu beeinträchtigen.

Sämtliche Versuche sind in kleinen Knopfzellen durchgeführt worden. Bei den Halbzellentests hat metallisches Natrium als Gegenelektrode gedient. Außerdem arbeitet die Anode bei einer höheren durchschnittlichen Spannung als Hartkohlenstoff, was die Energie verringert, die eine Vollzelle bei üblichen Raten liefern kann. Als Nächstes muss die Anode daher in einer Vollzelle unter praxisnahen Bedingungen getestet werden. Dennoch ist das ein Fortschritt, den die Natrium-Ionen-Technik benötigt. Unternehmen wie CATL und HiNa treiben den Einsatz solcher Zellen in Fahrzeugen und Netzspeichern bereits voran. Eine langlebigere, schnellladefähige Anode würde ihre Argumente stärken. Da Natrium-Ionen-Akkus bei Preis und Energiedichte bereits nahezu mit LFP-Akkus gleichziehen, könnte die Auflösung des Konflikts zwischen Ladegeschwindigkeit und Lebensdauer ihren Einsatz in weiteren Elektroautos ermöglichen.