Natrium-Ionen-Batterien gelten als nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, waren jedoch aufgrund hoher Speicherverluste im ersten Ladezyklus eingeschränkt. Forscher des Bundesinstituts für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Deutschland haben nun ein neuartiges Anodendesign entwickelt, das sowohl hohe Effizienz als auch große Speicherkapazität vereint und damit einen Durchbruch für die Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien darstellt.

Der irreversible Kapazitätsverlust bei der ersten Aufladung einer Batterie entsteht durch chemische Reaktionen zwischen der Anode und dem Elektrolyten. Elektrolytmoleküle zersetzen sich auf der Kohlenstoffanode und dringen in die Poren ein, wodurch sie Raum einnehmen, der eigentlich für die Speicherung von Natriumionen vorgesehen ist, bis sich eine stabile Schutzschicht bildet. Diese Schutzschicht schützt zwar die Anode, bindet jedoch aufgrund der enthaltenen Natriumionen einen Teil der Energie und behindert die Ladungsträgerübertragung. Bei Lithium-Ionen-Batterien bildet sich aufgrund der dichten Graphit-Anode leicht eine Schutzschicht mit einer Effizienz von über 90 %. Natrium kann jedoch nicht in Graphit gespeichert werden. Hartkohlenstoff ist zwar die beste Wahl, weist jedoch Probleme mit dem ersten Ladeverlust auf.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das BAM-Team eine innovative Anode mit Kern-Schale-Struktur. „Natrium-Ionen-Batterien mit einem einzigen Material können nicht gleichzeitig große Energiespeicherkapazität und effiziente Schichtbildung bieten“, erklärt Tim-Patrick Fellinger, Experte für Energiematerialien am BAM. Die Forscher beschichteten den porösen Hartkohlenstoffkern der Anode mit einer extrem dünnen Schicht. Diese Schicht fungiert als Filter, der Natriumionen passieren lässt, aber schädliche Elektrolytmoleküle fernhält. So bleibt sowohl die Speicherkapazität als auch die Batterieleistung erhalten. Dieses maßgeschneiderte Material basiert auf Aktivkohle, ist kostengünstig, umweltfreundlich und wirtschaftlich attraktiv. Die zugehörigen Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ veröffentlicht.

Das Material erreicht eine anfängliche Effizienz von 82 %, während es ohne Beschichtung nur 18 % beträgt. Das BAM-Team ist überzeugt, dass Effizienz und Speicherkapazität in Zukunft weiter gesteigert werden können. „Indem wir die Schichtbildung und die Energiespeicherung entkoppeln, können wir verschiedene Materialien getrennt entwickeln und so eine doppelte Verbesserung erreichen“, sagt Teammitglied Paul Appel. „Die Innovation bei Kathodenmaterialien nähert sich bereits theoretischen Grenzen, während Anodenmaterialien noch ein großes Potenzial und breiten Raum für Innovationen bieten.“