Mit seiner Forschung an einer anodenlosen Natrium-Festkörperbatterie ist das LESC – eine Kooperation zwischen der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering und dem Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering der University of California San Diego – der Realisierung kostengünstiger, schnell aufladbarer Batterien mit hoher Kapazität für Elektrofahrzeuge und Netzspeicher näher gekommen als je zuvor.
Natrium-, Festkörper- und anodenfreie Batterien vereinen
„Obwohl es bereits Natrium-, Festkörper- und anodenfreie Batterien gab, ist es bisher niemandem gelungen, diese drei Ideen erfolgreich zu kombinieren“, so Grayson Deysher, Doktorand an der UC San Diego und Erstautor einer neuen Veröffentlichung, in der die Arbeit des Teams beschrieben wird.
Die Arbeit stellt eine neue Natriumbatterie-Architektur vor, die über mehrere hundert Zyklen stabil ist. Durch den Verzicht auf eine Anode und die Verwendung von billigem und reichlich vorhandenem Natrium anstelle von Lithium wird diese neue Batterieform kostengünstiger und umweltfreundlicher in der Herstellung. Dank ihres neuartigen Festkörperdesigns wird die Batterie zudem sicher und leistungsfähig sein.
Diese Arbeit ist sowohl ein wissenschaftlicher Durchbruch als auch ein notwendiger Schritt, um die Lücke bei der Skalierung von Batterien zu schließen, die erforderlich ist, um die Weltwirtschaft von fossilen Brennstoffen unabhängig zu machen. „Um die Vereinigten Staaten eine Stunde lang am Laufen zu halten, müssen wir eine Terawattstunde Energie produzieren“, sagte Meng. „Um unser Ziel der Dekarbonisierung unserer Wirtschaft zu erreichen, brauchen wir mehrere hundert Terawattstunden an Batterien. Wir brauchen mehr Batterien, und wir brauchen sie schnell.“
Nachhaltigkeit und Natrium
Lithium, das üblicherweise für Batterien verwendet wird, kommt in der Erdkruste nur zu etwa 20 Teilen pro Million vor, Natrium zu 20.000 Teilen pro Million. Diese Knappheit und die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien für Laptops, Telefone und Elektroautos haben die Preise in die Höhe getrieben, sodass die benötigten Batterien immer unerschwinglicher werden.
Auch die Lithiumvorkommen konzentrieren sich. Das „Lithiumdreieck“ aus Chile, Argentinien und Bolivien verfügt über mehr als 75 Prozent des weltweiten Lithiumangebots, weitere Vorkommen befinden sich in Australien, North Carolina und Nevada. Dies begünstigt einige Länder gegenüber anderen bei der Dekarbonisierung, die zur Bekämpfung des Klimawandels notwendig ist.
„Globales Handeln erfordert Zusammenarbeit, um Zugang zu wichtigen Rohstoffen zu erhalten“, sagte Meng. Auch der Lithiumabbau ist umweltbelastend, sei es durch industrielle Säuren, die zum Abbau des Erzes verwendet werden, oder durch die häufigere Solegewinnung, bei der große Mengen Wasser zum Trocknen an die Oberfläche gepumpt werden. Natrium, das im Meerwasser und bei der Solegewinnung vorkommt, ist von Natur aus ein umweltfreundlicheres Batteriematerial. Die LESC-Forschung hat es auch zu einem leistungsfähigen Material gemacht.
Autos schneller und kostengünstig laden
Um eine Natriumbatterie mit der Energiedichte einer Lithiumbatterie herzustellen, musste das Team eine neue Architektur für Natriumbatterien entwickeln. Herkömmliche Batterien haben eine Anode, die Ionen speichert, während die Batterie geladen wird. Wenn die Batterie in Betrieb ist, fließen die Ionen von der Anode durch einen Elektrolyten zu einem Stromkollektor (Kathode) und versorgen so Geräte und Autos mit Energie.
Bei anodenlosen Batterien wird die Anode entfernt und die Ionen werden durch elektrochemische Abscheidung von Alkalimetall direkt auf dem Stromkollektor gespeichert. Dieser Ansatz ermöglicht eine höhere Zellspannung, niedrigere Zellkosten und eine höhere Energiedichte, bringt aber auch eigene Herausforderungen mit sich. „In jeder anodenfreien Batterie muss ein guter Kontakt zwischen dem Elektrolyten und dem Stromkollektor bestehen“, so Deysher. „Bei der Verwendung eines flüssigen Elektrolyten ist dies normalerweise sehr einfach, da die Flüssigkeit überall hinfließen und jede Oberfläche benetzen kann. Bei einem Festelektrolyten ist dies nicht möglich.“
Diese flüssigen Elektrolyte bilden jedoch eine Ablagerung, die sogenannte Festelektrolyt-Interphase, und verbrauchen kontinuierlich die aktiven Materialien, wodurch die Lebensdauer der Batterie mit der Zeit abnimmt. Das Team wählte einen neuen Ansatz, um dieses Problem zu lösen. Anstatt einen Elektrolyten zu verwenden, der den Stromkollektor umgibt, entwickelten sie einen Stromkollektor, der den Elektrolyten umgibt. Sie stellten ihren Stromkollektor aus Aluminiumpulver her, einem Feststoff, der wie eine Flüssigkeit fließen kann.
Besser als die Lithium-Batterie
Beim Zusammenbau der Batterie wurde das Pulver unter hohem Druck verdichtet, um einen festen Stromkollektor zu bilden und gleichzeitig einen flüssigkeitsähnlichen Kontakt mit dem Elektrolyten aufrechtzuerhalten.
„Natrium-Festkörperbatterien werden in der Regel als eine Technologie angesehen, die noch in weiter Ferne liegt, aber wir hoffen, dass diese Arbeit dazu beitragen kann, den Natriumbereich weiter voranzutreiben, indem sie zeigt, dass er tatsächlich gut funktioniert, in einigen Fällen sogar besser als die Lithiumversion“, so Deysher.
Das ultimative Ziel? Meng stellt sich eine Energiezukunft mit einer Vielzahl sauberer, kostengünstiger Batterieoptionen vor, die erneuerbare Energie speichern und an die Bedürfnisse der Gesellschaft angepasst sind. Meng und Deysher haben ihre Arbeit über das Büro für Innovation und Kommerzialisierung der UC San Diego zum Patent angemeldet.
