Derzeit setzt man noch stark auf Lithium-Ionen-Batterien. Doch eine japanische Entdeckung könnte das baldige Ende dieser Akkus zumindest im stationären Bereich einläuten.

Von Irina Slav / oilprice.com

Natrium, ein Element, das weitaus häufiger als Lithium ist, erweitert seinen Ruf, im Bereich der Batterien berühmt zu werden. Eine neue Studie einer japanischen Universität hat gezeigt, dass eine Natriumverbindung Lithium in Batterien relativ leicht ersetzen kann.

Die Studie von Forschern des Nagoya Institute of Technology fand einen Weg, um das Haupthindernis für den Austausch von Lithium gegen Natrium zu umgehen: die größere Größe der Ionen in Natrium und seine unterschiedliche Chemie, berichtet Phys.org. Sie taten dies, indem sie eine Natriumverbindung fanden, die eine mit dem Batteriegebrauch kompatible Kristallstruktur sowie eine günstige elektrische Struktur und elektrochemische Eigenschaften aufwies. Die Verbindung führte zu kürzeren Ladezeiten als bei Lithium-Ionen-Batterien und zu einer möglicherweise längeren Lebensdauer der Batterie.

So toll das klingen mag, die Forscher hatten eine Herausforderung: Die Verbindung Na2V3O7 begann sich in der Endphase des Ladevorgangs zu verschlechtern, was die theoretische Energiespeicherkapazität um bis zu 50 Prozent einschränkte. Laut dem Hauptautor Naoto Tanibata wird sich das Forschungsteam nun darauf konzentrieren, dieses Hindernis zu überwinden.

Natriumbatterien befinden sich jedoch nicht alle im Labor-Entwicklungsstadium. Die Anziehungskraft des Natriums – billig, reichlich vorhanden und mit der richtigen Chemie für Batterien – hat zugenommen und es gibt bereits Projekte, die funktionieren.

Im vergangenen Jahr gaben Wissenschaftler der australischen Universität von Wollongong bekannt, dass sie ein Problem mit Natriumbatterien gelöst hatten, das sie zu teuer machte, nämlich viele andere Materialien, die in einer solchen Installation neben dem Natrium selbst verwendet wurden. Einige dieser Materialien waren luftempfindlich, was es schwierig machte, die Batterien billig genug herzustellen, um sie kommerziell nutzbar zu machen und ein gewisses Leistungsniveau zu gewährleisten.

Nachdem die Forscher in Wollongong dieses Problem gelöst hatten, indem sie ein Material entwickelt haben, das nicht luftempfindlich ist, starteten sie ein Pilotprojekt für Natriumionenbatterien in einer Abwasserpumpstation in Sydney. Die Natriumbatterien müssen noch an das Projekt geliefert werden, das auch Sonnenkollektoren für die Energieerzeugung enthält. Daher muss die Leistung noch unter realen Bedingungen getestet werden.

Nach Ansicht von Forschern, die sich mit Natriumbatterien befassen, wären diese jedoch am besten für stationäre Energiespeicheranlagen geeignet: Natriumbatterien neigen dazu, eine wesentlich geringere Energiedichte aufzuweisen, was bedeutet, dass sie sich noch nicht ausreichend entwickelt haben, um mit Lithium-Ionen-Batterien hinsichtlich ihrer Größe konkurrieren zu können. Bei der Energiespeicherung könnten sie jedoch echtes Aufsehen erregen, da die Größe nicht so wichtig ist wie beispielsweise für Autobatterien oder Unterhaltungselektronik.

Trotzdem entwickeln sich Natriumbatterien zu einem heißen Forschungsbereich, der darauf abzielt, die größten Hindernisse für die Einführung einer größeren Natriumbatterie zu beseitigen. Ein Team der Universität Birmingham hat sich im vergangenen Jahr gemeinsam mit australischen und japanischen Wissenschaftlern an der Lösung der Propbleme von Natriumbatterien beteiligt. Dabei wurde eine Alternative zu der Graphitanode gefunden, die in Lithiumbatterien verwendet wird, die jedoch für Natriumbatterien problematisch ist, da die größeren Natriumionen nicht zwischen den Graphitkohlenstoffschichten reisen können. Den Forschern der Universität Birmingham gelang es, den Graphit durch Phosphor zu ersetzen, und zwar auf der Grundlage von Berechnungen durch einen Supercomputer. Es gelang, die Ladungsträgerkapazität auf das Siebenfache der von Batterien mit Graphitanode zu erhöhen.

Die Auswirkungen dieser Errungenschaften könnten von Bedeutung sein, da die Welt allmählich erkennt, dass in den kommenden Jahren viel Energiespeicherkapazität benötigt wird, während wir uns in Richtung mehr erneuerbarer und weniger fossiler Energie bewegen. Natriumbatterien scheinen neben der Lithium-Ionen-Technologie einen legitimen Ruf zu haben, und sie könnten den Energiespeicherkapazitätsaufbau erheblich steigern, was wiederum eine stärkere Nutzung erneuerbarer Energien begünstigen würde, da dies das Zwischenspeicherproblem lösen würde.

3 COMMENTS

  1. Vor einigen Jahren hatte man auch geglaubt mit der NaS Technologie den Durchbruch gefunden zu haben. Heute spricht kein Mensch mehr davon.
    Die Forscher auf diesem Sektor übersehen dabei, dass letztlich nicht nur die Wahl der Komponenten für die Elektroden maßgeblich ist, sondern die Art ihrer Gitterstruktur. Solange es nicht gelingt von der bislang immer noch amorphen zu einer kristallinen Form zu gelangen, wird man keine nennenswerten Erfolge erzielen. – In einem ordentlichen Stapelregel lassen sich eben mehr Ladungsträger unterbringen.

    Bisher liegen die volumetrischen Energiedichten für Batterien bei 140 Wh/kg. Dieselöl hat aber eine Dichte von 1300 Wh/kg. Das ist fast das 10 fache. – das müsste erst einmal ansatzweise erreicht werden.

    Das einzige elektrochemische System mit dem man das erreichen könnte, wäre eine Lithium/Fluor Paarung. Leider ist dieses System thermisch bislang nicht sicher beherrschbar.

  2. Batterien auf Basis von Natrium-Ionen sind seit einiger Zeit Gegenstand der Forschung, ebenso wie Lithium – Sauerstoff – Batterien. Selbst das seltene Element Thorium war/ist Gegenstand der Forschung, wo es doch gilt, nicht weiter per Verbrennungsmotor das totbringende CO2 auszupusten und den unaufhaltsamen Klimawandel zu zügeln Unser Haus steht im Übrigen bereits auf einer Warft. Aber Spaß beiseite, in Anbetracht der zu erwartenden „großen Veränderungen“ in Europa, täte die allmächtige EU-kommission gut daran, die Entwicklung von fliegenden Teppichen voranzutreiben. Auch sollte sich der Markt für genügsame, antrittsschnelle Dromedare öffnen.

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