Batterieforschung Feststoffakku auf Natriumbasis erfolgreich getestet

Noch sind Lithium-Ionen-Batterien die verbreitetste Lösung zur lokalen Energiespeicherung. Doch Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben eine neue Technik zur Herstellung von Festkörperbatterien auf Natrium-Basis entwickelt. Diese ermöglicht Batterien mit über 100 Ladezyklen, die damit vergleichbar zu Bauformen mit Flüssigelektrolyten sind.

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Jülich – Festkörperbatterien vereinen gegenüber aktuellen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt mehrere Vorteile. Sie können weder auslaufen noch in Brand geraten, und gelten daher als sicher und unempfindlich. Auch wird weniger Technik benötigt, um die Zellen vor Stößen zu schützen und für stabile Temperaturen zu sorgen, was zusätzlich dabei hilft, Gewicht und Kosten einzusparen.

Da Festkörperbatterien zudem sehr hohe Energiedichten erreichen können, wird weltweit intensiv daran geforscht. Doch trotz aller Anstrengungen sind reine Festkörperbatterien, die keine flüssigen oder soften, polymerartigen Schichten mehr enthalten, noch weit von der Marktreife entfernt. Insbesondere die Verbindung von Elektrode und Elektrolyt gilt als problematisch.

„In einer Batterie lagern sich beständig die transportierten Ionen in der Elektrode ein oder gehen von der Elektrode auf den Elektrolyten über – eine Batterie funktioniert nun einmal so“, erklärt Dr. Frank Tietz vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1). „Dieses ständige Wachsen und Schrumpfen der Elektroden tolerieren Feststoffe deutlich schlechter als ein flüssiger Elektrolyt, der immer einen guten Kontakt gewährleistet“. Der Jülicher Chemiker arbeitet daran, neue Materialien für Festkörperbatterien und Brennstoffzellen zu erschließen.

Alte Technik neu entdeckt

Bei den Festkörperbatterien steht die Forschung noch ziemlich am Anfang. Reine Festkörperbatterien halten in der Regel nur einige wenige Ladezyklen durch, insbesondere ohne externen Druck. Dann beginnen die einzelnen Partikel oder Schichten, sich voneinander zu lösen, was praktisch einem Totalschaden der Batterie gleichkommt.

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich um Tietz haben nun eine Lösung für dieses Problem gefunden. Sie belebten dazu eine Technik wieder, die noch aus der Brennstoffzellenforschung in den 1990er Jahren stammt. Um eine gute Kontaktierung zu erreichen, lösten sie die Bestandteile der Kathode in einer Flüssigkeit und brachten sie so in flüssiger Form in den Elektrolyten ein, wo sie im weiteren Produktionsprozess zur Elektrode umgewandelt wird.

Vor- und Nachteile des Verfahrens

Mit diesem Verfahren haben die Forscher eine Natrium-Festkörperbatterie entwickelt, die nach 100 Ladezyklen noch über 90 Prozent ihrer anfänglichen Kapazität aufweist. Für Festkörperbatterien, die sich aktuell noch im Laborstadium befinden, ist das nach Aussage der Wissenschaftler ein sehr guter Wert. Vergleichbare Resultate ließen sich bislang nur mit Bauformen erzielen, die Flüssigkeiten oder zusätzliche weiche Schichten, beispielsweise einen Polymer, enthalten.

Was das neue Herstellungsverfahren auszeichnet, erläutert Forschungsleiter Tietz: „Der Elektrolyt wird nicht nur oberflächlich beschichtet. Die Flüssigkeit dringt stattdessen weit in das poröse Material ein und lagert sich in dünnen Schichten an den Porenwänden an. So entsteht eine große Kontaktfläche und die restliche Porosität wirkt wie ein Puffer, indem sie hilft, Volumenschwankungen beim Laden und Entladen auf eine große Fläche zu verteilen.“ Nicht verschwiegen werden sollte aber auch: „Die Synthese erfolgt bei über 700 °C und die Methode ist insofern ungewöhnlich, weil die Herstellung des Kathodenmaterials von einem Pulverlieferanten in die Zellenherstellung verlagert wird.“

Batterie-Prototypen entwickelt

Statt Lithium-Ionen jetzt Natrium-Ionen

Natrium als Alternative zu Lithium?

Für die Umsetzung wählten die Forscher eine Batterie auf der Basis von Natrium. Die möglichen Energiedichten liegen zwar klar unter denen von Lithium-Festkörperbatterien. Dafür besitzt Natrium einige andere Vorzüge: es ist leicht verfügbar und kostengünstiger als Lithium und damit vor allem für stationäre Anwendungen interessant, etwa als Zwischenspeicher für erneuerbare Energien. Zudem neigt Natrium anders als Lithium weniger zur Ausbildung metallischer Dendriten, die zu einem Kurzschluss führen können, der die Batterie zerstört. Darüber hinaus sind kobaltfreie Kathodenmaterialien möglich.

Die etwa fingernagelgroße Natrium-Feststoffbatteriezelle, die die Forscher im Labor getestet haben, besitzt eine Energiedichte von etwa 10 Wh/kg. Dies entspricht zwar nur etwa drei Prozent heutiger Lithium-Ionenakkus. Durch die Optimierung aller Komponenten – speziell durch die Reduzierung der Schichtdicken auf wenige Mikrometer – könnte allerdings eine Energiedichte von 160 Wh/kg bzw. 500 Wh/l möglich sein. Damit wären Natrium-Festkörperbatterien dann für stationäre Anwendungen interessant.

Originalpublikation: Tu Lan, Chih-Long Tsai, Frank Tietz, Xian-Kui Wei, Marc Heggen, Rafal E.Dunin-Borkowski, Rui Wang, Yinguo Xiao, Qianli Ma, Olivier Guillon: Room-temperature all-solid-state sodium batteries with robust ceramic interface between rigid electrolyte and electrode materials, Nano Energy (Vol. 65, November 2019); DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104040

* T. Schlößer: Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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