In modernen E-Autos finden sich fast ausschließlich Lithium-Akkus. Sie versorgen die Fahrzeuge mit der nötigen Antriebsenergie, aber es gibt eine Reihe von Nachteilen. Insgesamt nimmt die derzeit verwendete Batterie-Technologie den E-Autos viel von ihrer Umweltfreundlichkeit. Zudem sind die globalen Reserven von Lithium begrenzt. Der Abbau aus Salzwasser ist kostspielig und keineswegs umweltschonend. Auch benötigen Lithium-Batterien aktuell für die Elektroden Cobalt und Nickel – Metalle, die ebenfalls unter problematischen Bedingungen abgebaut werden bzw. giftig sind. Deshalb sind Wissenschaftler*innen auf der Suche nach Alternativen zu Lithium-Akkus.
Natrium-Ionen-Batterien
Eine vielversprechende Möglichkeit sind Natrium-Ionen-Batterien. Sie sind eine sogenannte „Drop-in-Technologie“. Das heißt, sie kann auf die gängige Batterieproduktion übertragen werden. Zudem benötigen diese Batterien weder Cobalt noch Nickel. Vor allem aber ist Natrium als Bestandteil von Kochsalz leicht verfügbar. Es gibt aber eine Schwachstelle: die Anode, also das Material des „Pluspols“. Es soll im geladenen Zustand möglichst viele positive Natrium-Ionen speichern können. Deshalb ist es entscheidend für die Effizienz des Akkus. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin entwickelt dazu in einem Kooperationsprojekt neuartige Kern-Schale-Verbundwerkstoffe, die zu effizienten Akkus mit verbesserter Sicherheit führen sollen.
Angesiedelt ist das Projekt im neuen Batterietestzentrum, das die BAM kürzlich eröffnet hat. Statt Graphit – wie bei den etwas kleineren Lithium-Ionen – werden bei Natrium-Ionen bisher sogenannte Hard Carbons verwendet. In den Poren und Gängen des ungeordneten Kohlenstoffs können sich jedoch nicht nur Natrium-Ionen einlagern, sondern es gelangt auch Elektrolyt, die Ionen-leitende Flüssigkeit der Batteriezelle, hinein. Das führt zu Verlusten der Speicherkapazität und geht somit auf Kosten der Effizienz.
„Es ist sehr komplex, die ideale Struktur für diese neuartigen Materialien zu finden. Wir wollen dafür maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe entwickeln, die möglichst vielen Natrium-Ionen Platz bieten, Elektrolyte aber fernhalten“, erklärt Tim-Patrick Fellinger, der das Verbundprojekt leitet und an der BAM Experte für Energiematerialien ist.
An dem Verbundprojekt sind das Helmholtz-Zentrum Berlin und die TU Berlin sowie mehrere Unternehmen, die sich auf Kohlenstoffmaterialien für Batterien spezialisiert haben, beteiligt. „Der schnelle Wissensaustausch mit der Industrie ist uns wichtig, daher freue ich mich über die Beteiligungen“, sagt Fellinger. „Wenn wir mit unserem Konzept erfolgreich sind, würde dies einen großen Innovationsschub für die Natrium-Ionen-Technologie insgesamt bedeuten.“
Gefördert wird das Verbundprojekt durch das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderung „Batterie 2020 Transfer“.
Die BAM feiert 2021 ihr 150-jähriges Jubiläum. Dazu entstand dieser kurze Film.