Natrium­ionen­akku­mu­la­to­ren für in­tel­li­gen­te Net­ze?

Vergrößertes RTEM-Bild von P2-NNCT mit darüber gezeichneter Anordnung der P2-Lagen (Bild: Guo et al. / Wiley-VCH)

Vergrößertes RTEM-Bild von P2-NNCT mit darüber gezeichneter Anordnung der P2-Lagen (Bild: Guo et al. / Wiley-VCH)

Die Anforderungen an moderne Akkumulatoren für stationäre Energie­speicher­systeme sind nichts weniger als lange Lebens­dauer, geringe Kosten, hohe Sicherheit, hoher Wirkungsgrad und eine hohe Betriebs­spannung. Preiswertes Natrium als Ersatz für das teure Lithium in den Batterien würden die Kosten bereits massiv senken. Chinesische und japanische Wissen­schaftler berichten jetzt über ihre Entwicklung einer Hoch­leistungs-Batterie­zelle mit einer bipolaren Elektrode, die aus einem gemischten Natrium-Übergangs­metall­oxid besteht und für die indus­trielle Anwendung außer­ordent­lich geeignet scheint.

Die erneuerbaren Energien haben den Nachteil, dass sie nicht vorhersagbar verfügbar sind und außerdem nicht an jedem möglichen Standort eingesetzt werden können. Eine Lösung wären intelli­gente Netze und Hoch­leistungs­batterien, die aber noch lange nicht ausgereift sind. Als billigere Alternative für Lithium­ionen gilt Natrium, aber auch hier muss noch eine Reihe von Problemen überwunden werden. Das größere Natriumion destabi­lisiert die Elektrode durch die Volumenänderung bei den Lade-Entlade­vorgängen und hat außerdem ein mit dem Elektroden­material schwerer verträgliches Oxidations­potential. Die verblüf­fende Lösung, die Haoshen Zhou und seine Kollegen am National Institute of Advanced Indus­trial Science and Techno­logy AIST und der Tohoku-Univer­sität in Japan sowie der Nanjing-Univer­sität in China präsentieren, ist ein bipolares Material, das gleich­zeitig als Anode und Kathode in einer voll­ständig symme­trischen Natrium­zelle dient.

Dieses bipolare Elektrodenmaterial ist ein gemischtes Titanoxid mit dem Namen P2-NNCT für P2-Phase von Na0.66Ni0.17Co0.17Ti0.66O2. Während das Natriumion in der Struktur die bewegliche Ladung reprä­sentiert, dienen die Zentren Nickel und Cobalt als negative Elektrode, und das Titan­oxid ist die positive Elektrode. Am wichtigsten für die genannten Sicherheits- und Leistungs­aspekte ist jedoch die starre Schicht­struktur des Materials. Wie eingeklammert befinden sich die Natrium­ionen zwischen den Übergangs­metall­oxid­schichten, aber beim Lade- und Entlade­vorgang können sie ohne Volumen­änderung entlang der Schichten frei wandern.

Zhou bestätigt: „Als Batteriezelle angeordnet, besitzt das neue Material die bislang am höchsten gemes­sene durch­schnitt­liche Betriebs­spannung von 3,1 V in symme­trischen Natrium­zellen und die längste Lebens­dauer mit tausend Zyklen von sämtlichen Natrium­zellen“. Mit einem Coulomb-Wirkungs­grad von nahe 99.9 % außer in den Start­zyklen wäre eine solche Batterie als Energie­speicher in prakti­schen groß­tech­nischen Anwen­dungen denkbar. Dies machen die Autoren deutlich: „Unsere opti­mierten symme­trischen P2-NNCT-Natrium­zellen sind besser als alle anderen Natrium-Voll­zellen“. Dies alles spricht in der Tat für eine bedeu­tende Weiter­entwick­lung der Batterie­technik für die neuen Energien. (Quelle: Wiley-VCH)

Referenz: Sh.-H. Guo et al.: A High-Voltage and Ultralong-Life Sodium Full Cell for Stationary Energy Storage, Angew. Chem., online 18. August 2015; DOI: 10.1002/ange.201505215

 

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