Während reine Festkörperbatterien eine sicherere und leistungsfähigere Energiespeicherung für Elektrofahrzeuge, elektronische Geräte und Stromnetze versprechen, ist Lithium, ein Schlüsselelement, teuer, selten und seine Gewinnung ist schädlich. Forscher wenden sich nun dem günstigeren und häufiger vorkommenden Natrium zu.

Eine neue Studie legt nahe, dass Natrium-Festkörperbatterien endlich bei Raumtemperatur und sogar unter null Grad Celsius stabil sein könnten. Wissenschaftler der Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) der University of Chicago berichteten diese Woche, dass die Arbeit die Messlatte für Natriumbatterien höher legt, die unter realen Bedingungen bisher schlecht funktionierten.

1. Shirley Meng, Liu-Familienprofessorin für Molekulartechnik an der University of Chicago School of Engineering and Medicine, sagte, sowohl Natrium als auch Lithium seien unverzichtbar. Zukünftige Energiespeicherlösungen sollten darauf abzielen, dass dieselbe Superfabrik gleichzeitig Produkte auf Basis von Lithium- und Natriumchemie herstellen kann. Die neue Forschung treibt die Grundlagenforschung voran und bringt sie dem ultimativen Ziel näher.

Das Papier demonstriert eine dicke Natriumkathode, die bei Raumtemperatur und bis hinunter zu Gefriertemperaturen funktioniert, was Natrium auf eine vergleichbarere Stufe mit Lithium stellt, sagte der Hauptautor Sam Oh vom Institute of Materials Research and Engineering des A*STAR in Singapur.

Der Durchbruch des Teams beruht auf einem neuen Typ von Festelektrolyt. Oh erläuterte, der Durchbruch liege in der Stabilisierung einer metastabilen Struktur, über die bisher nicht berichtet wurde. Diese Struktur von Natriumborhydrid weist eine extrem hohe Ionenleitfähigkeit auf, die mindestens eine Größenordnung höher ist als die in der Literatur beschriebene und drei bis vier Größenordnungen höher als die des Vorläufers selbst. Die Forscher erzeugten diese Struktur, indem sie Natriumborhydrid erhitzten, bis es zu kristallisieren begann, und es dann schnell abkühlten, um die Kristallmorphologie zu fixieren. Diese Methode ist in anderen Bereichen üblich, wurde aber bisher nicht bei Festelektrolyten angewendet. Oh ist davon überzeugt, dass bekannte Methoden für die Industrie attraktiver sind und dass sich die Technologie nach ihrer Reife besser skalieren lässt und das Energiespeichersystem leistungsfähiger wird.

Das Team kombinierte die metastabile Phase mit einer O3-Kathode, die mit einem chloridbasierten Festelektrolyten beschichtet war, und erreichte so eine dicke und hochbelastete Kathode. Im Vergleich zu dünnen Kathodenkonstruktionen enthält diese Kathode weniger inaktives und mehr aktives Material. Oh sagte, je dicker die Kathode, desto höher sei die theoretische Energiedichte der Batterie.

Dieser Fortschritt eröffnet Natriumbatterien einen klareren Weg, mit Lithiumbatterien zu konkurrieren, Kosten- und Nachhaltigkeitsprobleme zu lösen und neue Wege für die Energieforschung zu eröffnen. Oh betonte jedoch auch, dass es noch ein langer Weg sei, aber diese Forschung werde dazu beitragen, neue Möglichkeiten zu eröffnen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Joule veröffentlicht.