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Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus

Polymerkathoden: Die unlösliche Problemlösung?

| Redakteur: Christian Lüttmann

Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien sind gesucht, denn für Speichersysteme der Zukunft müssen preiswertere, sicherere und umweltfreundlichere Akkus entwickelt werden. Vielversprechende organische Elektrodenmaterialien lösen sich allerdings im Elektrolyten auf. Die Lösung für dieses Problem ist Unlöslichkeit: Ein neues Kathodenmaterial, das stabil bleibt und mit verschiedenen Ionensorten gute Leistungen erzielt.

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Neuartige Natrim-Ionen-Akkus könnten in Zukunft Lithium-Ionen-Akkus ersetzen, z.B. in Smartphones (Symbolbild).
Neuartige Natrim-Ionen-Akkus könnten in Zukunft Lithium-Ionen-Akkus ersetzen, z.B. in Smartphones (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei, VeComoHacerlo / Pixabay)

Maryland/USA, Beijing/China – Preiswerte und umweltfreundliche Metalle wie Natrium und mehrwertige Leichtmetalle sollen einmal Lithium in der Batterietechnologie ersetzen. Eine große Herausforderung ist jedoch die Entwicklung langlebiger und stabiler Elektroden mit hoher Energiedichte und gleichzeitig schneller Lade- und Entladerate. Ein amerikanisch-chinesisches Wissenschaftlerteam hat hierfür eine Hochleistungskathode aus einem organischen Polymer entwickelt. Das Material soll sich besonders für wiederaufladbare Batterien mit Natrium-Ionen-Technik eignen.

Lithium ist noch „Goldstandard“

Lithium-Ionen-Batterien stecken in nahezu allen tragbaren elektronischen Geräten, Energiespeichersystemen und Elektrofahrzeugen. Ihre Entwicklung wurde mit dem diesjährigen Nobelpreis ausgezeichnet. Der Batterietyp der nächsten Generation muss jedoch eine höhere Energiedichte und eine bessere Kapazität aufweisen. Außerdem müssen seine Ausgangsmaterialien preiswerter, sicherer und umweltfreundlicher sein als es beim Lithium-Akku der Fall ist.

In diesem Zug untersucht man intensiv wiederaufladbare Batterien, die grundsätzlich nach der gleichen Technologie funktionieren wie Lithium-Ionen-Batterien, bei denen aber das Lithium-Ion durch billigere Metall-Ionen wie Natrium-, Magnesium- oder Aluminium-Ionen ersetzt wird. Allerdings machen die Elektrodenmaterialien das nicht so einfach mit. Neue Materialien sind gefordert.

Kandidaten für die Post-Lithium-Technologie

Organische Materialien bieten sich hierbei an, denn sie enthalten (meist) keine schädlichen und teuren Schwermetalle und können leicht für verschiedene Zwecke angepasst werden. Allerdings lösen sie sich im flüssigen Elektrolyten auf, sodass eine solche Elektrode instabil ist.

Chunsheng Wang und sein Team von der US-amerikanischen University of Maryland und ein internationales Team von Wissenschaftlern haben nun eine organische Polymerkathode entwickelt, die sich nicht auflöst, gleichzeitig aber mit einer hohen Kapazität bei schneller Entladung und Ladung aufwartet. Für das Natrium-Ion zeigte sie eine deutlich bessere kurz- und langfristige Kapazität als andere Kathoden aus polymeren oder anorganischen Materialien. Auch für das Magnesium- und Aluminium-Ion waren die Daten laut der Studie vielversprechend.

Stabilität durch Bindungsbrücken

Reaktionsgleichung zur Aufnahme von Magnesium-Ionen in Hexaazatrinaphthalin (HATN)
Reaktionsgleichung zur Aufnahme von Magnesium-Ionen in Hexaazatrinaphthalin (HATN)
(Bild: Wiley-VCH, Angewandte Chemie)

Als Kathodenmaterial mit hoher Energiedichte und guter Einlagerungsbereitschaft für Metallionen identifizierten die Wissenschaftler die organische Verbindung Hexaazatrinaphthalin (HATN). Diese wurde bereits in Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren getestet, aber wie die meisten organischen Materialien löste HATN sich im Elektrolyten auf. Um dem entgegenzuwirken, versuchten die Forscher in der aktuellen Arbeit, das Material zu stabilisieren. Dafür verknüpften sie die einzelnen Moleküle mit Bindungsbrücken. So synthetisierten sie das organische Polymer PHATN (polymeres HATN). Die Kapazität für das Natrium-, Aluminium- und das Magnesium-Ion ist nach Aussage der Forscher ausgezeichnet.

50.000 Zyklen im Praxistest

Das neue Kathodenmaterial testeten die Forscher dann in Metall-Ionen-Batterien mit einem hochkonzentrierten Elektrolyten. Dabei lieferte die PHATN-Kathode eine überzeugende Performance: Die Natrium-Ionen-Batterie konnte bei einer Spannung von 3,5 Volt betrieben werden und wies auch nach 50.000 Lade-Entlade-Zyklen noch eine Kapazität von über 100 mAh/g auf. Zum Vergleich: Neue Lithium-Ionen Akkus haben eine Kapazität von etwa 200 mAh/g. Auch die getestete Magnesium-Ionen- und die Aluminium-Ionen-Batterie waren kaum schlechter als die Natrium-Batterie.

Solche weiterentwickelten Pyrazin-Polymerkathoden wie die auf PHATN-Basis könnten in umweltfreundlichen, langlebigen, wiederaufladbaren Hochleistungsbatterien der nächsten Generation eingesetzt werden.

Originalpublikation: Prof. Chunsheng Wang et al.: A Pyrazine‐Based Polymer for Fast‐Charge Batteries, Angewandte Chemie, Nr. 29/2019, 4.11.2019; DOI: 10.3389/fmicb.2019.02502

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