Als bevorzugte Energiequelle für Elektrofahrzeuge dominieren seit langem Lithium-Ionen-Batterien den Markt. Sie werden zunehmend auch für die Speicherung erneuerbarer Energie zur Nutzung im Stromnetz in Betracht gezogen. Aufgrund der raschen Expansion dieses Marktes wird jedoch in den nächsten fünf bis zehn Jahren mit Versorgungsengpässen bei Lithium gerechnet.
„Natrium-Ionen-Batterien erweisen sich aufgrund des größeren Vorkommens und der geringeren Kosten von Natrium als überzeugende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien“, sagte Gui-Liang Xu, Chemiker am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE).
Bisher gab es ein ernstes Hindernis für die Kommerzialisierung solcher Batterien. Insbesondere die Leistung der natriumhaltigen Kathode lässt bei wiederholtem Entladen und Laden schnell nach.
Ein Team bei Argonne hat mit einem neuen Design einer Natriumionenoxid-Kathode wichtige Fortschritte bei der Lösung dieses Problems gemacht. Es basiert eng auf einem früheren Argonne-Design für eine Lithium-Ionen-Oxid-Kathode mit nachweislich hoher Energiespeicherkapazität und langer Lebensdauer. Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Natur-Nanotechnologie.
Ein wesentliches Merkmal beider Designs ist, dass die mikroskopisch kleinen Kathodenpartikel eine Mischung aus Übergangsmetallen enthalten, darunter Nickel, Kobalt, Eisen oder Mangan. Wichtig ist, dass diese Metalle nicht gleichmäßig in den einzelnen Kathodenpartikeln verteilt sind. Im Kern erscheint beispielsweise Nickel; Dieser Kern ist von Kobalt und Mangan umgeben, die eine Hülle bilden.
Diese Elemente dienen unterschiedlichen Zwecken. Die manganreiche Oberfläche verleiht dem Partikel seine strukturelle Stabilität während des Lade-Entlade-Zyklus. Der nickelreiche Kern bietet eine hohe Kapazität zur Energiespeicherung.
Beim Testen dieses Designs nahm jedoch die Energiespeicherkapazität der Kathode während des Zyklierens stetig ab. Das Problem wurde auf die Bildung von Rissen in den Partikeln während des Zyklierens zurückgeführt. Diese Risse entstanden aufgrund der Spannung, die zwischen der Schale und dem Kern der Partikel entstand. Das Team versuchte, diese Belastung vor dem Radfahren zu beseitigen, indem es die Methode zur Kathodenvorbereitung verfeinerte.
Das zum Starten des Syntheseprozesses verwendete Vorläufermaterial ist ein Hydroxid. Es enthält neben Sauerstoff und Wasserstoff drei Metalle: Nickel, Kobalt und Mangan. Das Team stellte zwei Versionen dieses Hydroxids her: Eine, bei der die Metalle in einem Gradienten vom Kern zur Schale verteilt waren, und eine andere, bei der die drei Metalle zum Vergleich gleichmäßig in jedem Partikel verteilt waren.
Um das Endprodukt zu bilden, erhitzte das Team eine Mischung aus einem Vorläufermaterial und Natriumhydroxid auf bis zu 600 °C, hielt sie für einen ausgewählten Zeitraum auf dieser Temperatur und kühlte sie dann auf Raumtemperatur ab. Sie haben auch verschiedene Aufheizgeschwindigkeiten ausprobiert.
Während dieser gesamten Behandlung überwachte das Team die strukturellen Veränderungen der Partikeleigenschaften. Diese Analyse umfasste die Nutzung von zwei Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science: der Advanced Photon Source (Strahllinien 17-BM und 11-ID) in Argonne und der National Synchrotron Light Source II (Strahllinie 18-ID) im Brookhaven National Laboratory des DOE.
„Mit den Röntgenstrahlen dieser Anlagen konnten wir in Echtzeit Änderungen der Partikelzusammensetzung und -struktur unter realistischen Synthesebedingungen bestimmen“, sagte Wenqian Xu, Wissenschaftler an der Argonne-Beamline.
Das Team nutzte außerdem das Center for Nanoscale Materials (CNM) in Argonne für zusätzliche Analysen zur Charakterisierung der Partikel und den Polaris-Supercomputer in der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), um die Röntgendaten in detaillierte 3D-Bilder zu rekonstruieren. Das CNM und das ALCF sind ebenfalls Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science.
Die ersten Ergebnisse zeigten keine Risse in den gleichmäßigen Partikeln, sondern Risse, die sich in den Gradientenpartikeln bei Temperaturen von nur 250 °C bildeten. Diese Risse traten am Kern und an der Kern-Schale-Grenze auf und wanderten dann an die Oberfläche. Offensichtlich verursachte der Metallgradient eine erhebliche Spannung, die zu diesen Rissen führte.
„Da wir wissen, dass Gradientenpartikel Kathoden mit hoher Energiespeicherkapazität erzeugen können, wollten wir Wärmebehandlungsbedingungen finden, die die Risse in den Gradientenpartikeln beseitigen“, sagte Wenhua Zuo, ein Postdoktorand der Argonne.
Als kritischer Faktor erwies sich die Aufheizgeschwindigkeit. Bei einer Aufheizgeschwindigkeit von fünf Grad pro Minute bildeten sich Risse, bei einer langsameren Geschwindigkeit von einem Grad pro Minute jedoch nicht. Tests in kleinen Zellen mit langsamer hergestellten Kathodenpartikeln behielten ihre hohe Leistung über mehr als 400 Zyklen bei.
„Die Vermeidung von Rissen während der Kathodensynthese zahlt sich aus, wenn die Kathode später geladen und entladen wird“, sagte Gui-Liang Xu. „Und obwohl Natrium-Ionen-Batterien noch nicht über eine ausreichende Energiedichte verfügen, um Fahrzeuge über große Entfernungen anzutreiben, sind sie ideal für den Stadtverkehr.“
Das Team arbeitet nun daran, das Nickel aus der Kathode zu entfernen, was die Kosten noch weiter senken und nachhaltiger sein würde.
„Die Aussichten für zukünftige Natrium-Ionen-Batterien scheinen sehr gut zu sein, da sie nicht nur niedrige Kosten und eine lange Lebensdauer haben, sondern auch eine Energiedichte aufweisen, die mit der der Lithium-Eisenphosphat-Kathode, die derzeit in vielen Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, vergleichbar ist“, sagte Khalil Amine, ein Argonne Distinguished Gefährte. „Dies würde zu nachhaltigeren Elektrofahrzeugen mit guter Reichweite führen.“
Weitere Informationen:
Wenhua Zuo et al., Mikrostrain-Screening für defektfreie geschichtete Übergangsmetalloxid-Kathoden, Natur-Nanotechnologie (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01734-x