Jenseits von Lithium: BAM erforscht nachhaltige Batteriematerialien

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Weltweit suchen Wissenschaftler*innen nach
Alternativen zu Lithium-Akkus. Als vielversprechend gelten Natrium-Ionen-
Batterien, doch die Anode ist bislang eine Schwachstelle. Die 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.

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.

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.

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.

„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“.