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Können Natrium-Ionen-Batterien das heute gebräuchliche Lithium ersetzen? BAM erforscht nachhaltige Materialalternativen

Natrium-Ionen-Batterien

Dr. Tim-Patrick Fellinger forscht an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zu innovativen und nachhaltigen Materialien für Natrium-Ionen-Batterien. (Bild: BAM)

Natrium-Ionen-Batterien: Materialsuche für die Anode

Weltweit suchen Wissenschaftler*innen nach Alternativen zu Lithium-Akkus. Als vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien, doch die Anode ist bislang eine Schwachstelle. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelt dazu in einem Kooperationsprojekt neuartige Kern-Schale-Verbundwerkstoffe, die zu effizienten Akkus mit verbesserter Sicherheit führen sollen.

Bisher beruhen elektrische Batterien, die E-Autos antreiben, als stationäre Stromspeicher dienen oder für industrielle Anwendungen genutzt werden, fast ausschließlich auf der Lithium-Ionen-Technologie. Bei allen Vorzügen besitzt das Batteriematerial Lithium auch Nachteile: Die globalen Reserven des Alkali-Metalls sind begrenzt. Sein Abbau aus Salzwasser ist kostspielig und wenig umweltschonend. Zudem benötigen Lithium-Batterien aktuell für die Elektroden Cobalt und Nickel – Metalle, die ebenfalls unter problematischen Bedingungen abgebaut werden bzw. giftig sind.

Natrium als natürlicher Bestandteil von Kochsalz leicht verfügbar

Weltweit suchen Forscher*innen daher nach einer umweltschonenden Alternative zu Lithium. Als besonders vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien. Sie sind eine „Drop-in-Technologie“, können also auf die gängige Batterieproduktion übertragen werden. Zudem benötigen sie weder Cobalt noch Nickel. Vor allem aber ist Natrium als natürlicher Bestandteil von Kochsalz leicht verfügbar.

Als Schwachstelle von Natrium-Ionen-Batterien gilt bislang jedoch das Material des „Pluspols“, vereinfachend auch als Anode bezeichnet. Dieses Material ist der „Tank“ einer elektrischen Batterie, es soll im geladenen Zustand möglichst viele positive Natrium-Ionen speichern können. Somit ist es entscheidend für die Effizienz des Akkus.

Unerwünschte Verluste der Speicherkapazität ausschalten

An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) startet jetzt ein Berliner Kooperationsprojekt, das sich der Suche nach einem geeigneten Anoden-Material widmet, um die Natrium-Ionen-Technologie voranzubringen. Angesiedelt ist es im neuen Batterietestzentrum, das die BAM kürzlich eröffnet hat (mehr dazu > hier).

Statt Graphit, wie bei den etwas kleineren Lithium-Ionen, werden dazu bei Natrium-Ionen bisher sogenannte Hard Carbons verwendet. In den Poren und Gängen des ungeordneten Kohlenstoffs können sich jedoch nicht nur Natrium-Ionen einlagern, sondern es gelangt auch Elektrolyt, die Ionen-leitende Flüssigkeit der Batteriezelle, hinein. Das führt zu unerwünschten Verlusten der Speicherkapazität und geht somit auf Kosten der Effizienz.

Sicheres und zugleich effizientes Material gesucht

„Es ist sehr komplex, die ideale Struktur für diese neuartigen Materialien zu finden. Wir wollen dafür maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe entwickeln, die möglichst vielen Natrium-Ionen Platz bieten, Elektrolyte aber fernhalten“, erklärt Tim-Patrick Fellinger, der das Verbundprojekt leitet und an der BAM Experte für Energiematerialien ist. „Die Herausforderung ist es, ein Material zu finden, das zugleich sicher und effizient ist.“

Beteiligt an dem Verbundprojekt sind das Helmholtz-Zentrum Berlin und die TU Berlin sowie mehrere Unternehmen, die sich auf Kohlenstoffmaterialien für Batterien spezialisiert haben. „Der schnelle Wissensaustausch mit der Industrie ist uns wichtig, daher freue ich mich über die Beteiligungen“, so Fellinger. „Wenn wir mit unserem Konzept erfolgreich sind, würde dies einen großen Innovations-Schub für die Natrium-Ionen-Technologie insgesamt bedeuten.“

Gefördert wird das Verbundprojekt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderung „Batterie 2020 Transfer“.

BAM gewährleistet Sicherheit in Technik und Chemie

Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Die BAM forscht, prüft und berät zum Schutz von Mensch, Umwelt und Sachgütern. Im Fokus aller Tätigkeiten in der Materialwissenschaft, der Werkstofftechnik und der Chemie steht dabei die technische Sicherheit von Produkten und Prozessen. Dazu werden Substanzen, Werkstoffe, Bauteile, Komponenten und Anlagen sowie natürliche und technische Systeme von volkswirtschaftlicher Dimension und gesellschaftlicher Relevanz erforscht und auf sicheren Umgang oder Betrieb geprüft und bewertet. Die BAM entwickelt und validiert Analyseverfahren und Bewertungsmethoden, Modelle und erforderliche Standards und erbringt wissenschaftsbasierte Dienstleistungen für die deutsche Wirtschaft im europäischen und internationalen Rahmen. Die BAM setzt und vertritt für Deutschland und seine globalen Märkte hohe Standards für Sicherheit in Technik und Chemie zur Weiterentwicklung der erfolgreichen deutschen Qualitätskultur „Made in Germany“.

www.bam.de

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