Na­tri­um-Leer­stel­len ver­bes­sern Bat­te­rie­eigen­schaf­ten

Stefanie Dehnen und Bernhard Roling knüpfen Verbindungen und gewinnen daraus Energie. (Bild: R. Eckstein / PUM)

Keine Energiewende ohne Energie­speicherung – umweltschonende Techno­logien erfordern leistungs­fähige Batterien. Zum Kernbestand jeder Batterie gehört ein Elektrolyt, also ein Träger­material, in dem sich geladene Teilchen von einem Batteriepol zum anderen bewegen. Eine wichtige Klasse solcher Materi­alien sind feste Elektrolyte, die nicht nur sicherheits­technische Vorteile bieten, sondern auch ein platz­sparendes Batterie­design erlauben. Feststoffbatterien auf der Basis von Natriumionen gelten als vielver­sprechende Kandidaten für die Speicherung erneuerbarer Energien, vor allem, weil natriumhaltige Rohstoffe in großer Fülle zur Verfügung stehen, erklären die Marburger Chemiker Stefanie Dehnen und Bernhard Rolinge ihre Kooperation mit Kollegen aus Köln und Singapur.

Die Forschungsgruppe setzte in ihrer Suche nach einem verbesserten Batterie­material bei Natrium­verbindungen an, von denen die Wissen­schaft schon seit einigen Jahren weiß, dass sie als Elektrolyte tauglich sind. Bislang scheiterten aber alle Versuche, hochreine Verbindungen der gewünschten Materialien mit ausreichend hoher Ionen­leit­fähig­keit zu produzieren.

Um dies endlich zu erreichen, erkundete das Team um Dehnen und Roling syste­matisch verschiedene Zusammen­setzungen und Herstellungs­bedingungen, konkret die phasen­reine Synthese der Verbindung Na11Sn2PS12,, die sich als bester Natrium­ionen-Leiter auf Schwefel­basis erweist, der zur Zeit bekannt ist.

Die Gruppe klärte die Kristallstruktur des Materials auf und studierte dessen Ionenleitfähigkeit über einen weiten Temperatur­bereich. Im Vergleich mit anderen Feststoff­elektrolyten auf Natrium- sowie Lithium­basis ergab sich eine bemerkens­wert hohe Leit­fä­higkeit. „Die Erhöhung der Leit­fähig­keit ist viel ausge­prägter als theoretisch vorausgesagt“, führt Marc Duchardt aus. Dies beruht vermutlich auf dem Vorhan­densein von Natrium-Leer­stellen in der gegenüber den verwandten Verbindungen leicht veränderten Kristall­struktur, vermutet das Team. Alles in allem hält die Gruppe die Verbindung für tauglich, als Elektrolyt in Feststoff­batterien für die Speicherung erneuerbarer Energien Anwendung zu finden. (Quelle: PUM)

Referenz: M. Duchardt et al.: Vacancy-Controlled Na+ Superion Conduction in Na11Sn2PS12, Angew. Chem. 57(5), 1351–1355, January 26, 2018; DOI: 10.1002/anie.201712769

Link: AG Roling: Elektrochemie, Ionendynamik, Materialien für Energiespeicherung und -konversion, Fachbereich Chemie, Philipps-Universität Marburg

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