Schlüssel zu effizienten Natrium-Batterien

Batterien für Smartphones und Elektro­autos basieren heute in der Regel auf der Lithium-Ionen-Technik. Doch rund um den Globus sucht die Fachwelt nach Alternativen für deutlich kosten­günstigere Akkus. Eine Möglichkeit wäre, Lithium durch Natrium zu ersetzen, einem allgegenwärtigen und damit sehr preiswerten Element. Dafür sind aber noch diverse Hürden zu meistern. Unter anderem nimmt die Graphit-Anode der Batterie bisher zu wenig Natrium auf. Hoffnung verspricht nun eine theoretische Studie unter Feder­führung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf: Sie legt nahe, dass Doppel­schichten aus Graphen, hauch­dünnem Kohlenstoff, deutlich mehr Natrium­atome einlagern könnten als Graphit.

Als Fachleute 2018 Lithium zwischen zwei dünne Graphen-Schichten einlagerten, bildete sich dazwischen nicht nur eine Lage von Lithium­atomen, sondern gleich mehrere Schichten. „Es ist so, als würde man kleine Bälle zwischen zwei Blatt Papier legen“, erläutert Physiker Arkady Krashenin­nikov. „Stopft man immer mehr Bälle hinein, werden die Papierblätter auseinander­gedrückt und lassen mehr Platz zwischen sich.“

Ein durchaus uner­wartetes Resultat. Denn bei Graphit ließ sich meist nur die Einlagerung einzelner Lithium-Lagen zwischen den hauchdünnen Kohlenstoff­schichten beobachten. Das Team konnte den Prozess mittels ausgefeilter Computer­simulationen auch theoretisch beschreiben. Die Perspektive: Würde man statt den heute üblichen Graphit-Anoden künftig Graphen-Elektroden in Lithium-Akkus einbauen, ließen sich womöglich deutlich höhere Speicher­kapazitäten erreichen.

Mehrfach statt einfach

Inspiriert von diesem Resultat widmete sich ein deutsch-russisches Team um Krashenin­nikov nun einer neuen Frage: „Wenn die Sache mit der Mehrfach-Einlagerung bei Lithium funktioniert – könnte es dann auch bei anderen Alkali­metallen klappen, speziell bei Natrium?“ Schon länger gilt Natrium als vielver­sprechender Kandidat für die Akkutechnik: Da es viel häufiger als Lithium auf der Erde vorkommt, könnten sich damit deutlich preis­günstigere Batterien fertigen lassen. Das Problem: Bisherige Prototypen funk­tionieren unter anderem deshalb noch nicht besonders gut, weil sich Natrium nur widerwillig in die Graphit­anoden begibt.

Um heraus­zufinden, ob Doppel­schichten aus Graphen womöglich das Zeug haben, deutlich mehr Natrium einzulagern, initiierte die Arbeits­gruppe eine Reihe von aufwändigen Super­computer-Simulationen. „Dank des immensen Wachstums der Rechenleistung und der Entwicklung effi­zienter Algo­rithmen haben wir heute sehr leistungs­fähige Methoden zur Hand, um neue Materialien zu untersuchen“, erklärt der Physiker. „Sie erlauben es, detaillierte Material­strukturen und Eigenschaften voraus­zusagen, ohne allzu viele Annahmen in die Berechnungen hinein­zustecken, und haben sich in ihrer Aussage­kraft als sehr zuverlässig herausgestellt.“

Neue Hoffnung für den Natrium-Akku

Das Resultat dieser Berechnungen: Ebenso wie Lithium sollte sich auch Natrium nicht nur als eine Schicht, sondern in mehreren Lagen über­einander zwischen den Graphen-Blättchen einlagern können. Für die Batterie­forschung ist das eine potentiell frohe Botschaft: Womöglich weist das neue Resultat die Richtung, die die Entwicklung künftiger Anoden für preis­günstige Natrium-Akkus nehmen könnte. „Unsere Arbeit ist rein theoretischer Natur, und wir erheben nicht den Anspruch, dass auf der Grundlage unserer Ergebnisse in absehbarer Zeit eine neue Batterie-Generation entwickelt wird“, betont Krashenin­nikov. „Aber vielleicht bringen unsere Resultate die Ingenieure ja auf neue, interessante Ideen.“

Ähnliches könnte für einen weiteres zwei­dimensionales Material gelten, das die Theoretiker unter die Lupe nahmen – Molybdän­disulfid. Einerseits könnte es wie Graphen als künftiges Elektroden­material für Akkus fungieren. „Andererseits lässt es sich mit Stoffen wie Lithium oder Natrium dotieren“, erläutert Krashenin­nikov. „Und dadurch könnte man daran denken, die elektronischen Eigen­schaften von Molybdändisulfid maßzu­schneidern, zum Beispiel um das Material zu einem Supraleiter zu machen.“ (Quelle: HZDR)

Referenz: I. V. Chepkasov et al.: Alkali metals inside bi-layer graphene and MoS2: Insights from first-principles calculations, Nano Energy 75, 104927 (2020); DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104927

Link: Atomistische Simulation ioneninduzierter Phänomene, Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf HZDR, Dresden

Bild: Neuen Computer-Simu­lationen nach ordnet sich Natrium (gelb) – anders als bislang vermutet – nicht als einzelne Atom­schicht, sondern mehrl­agig zwischen zwei Graphen-Schichten an. (Quelle: HZDR, M. Ghorbani-Asl)

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