Forschende des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben mit computergestützten Simulationen festgestellt, dass das für Natrium-Ionen-Batterien als vielversprechendes Kathodenmaterial geltende Natrium-Nickel-Manganoxid (P2-type NaXNi1/3Mn2/3O2) beim Ladevorgang Änderungen der Kristallstruktur unterliegt. Sie führen zu einer elastischen Verformung, wodurch die Kapazität schrumpft.
Bei diesen Kathodenmaterialien gibt es allerdings ein Problem: Natrium-Nickel-Manganoxide ändern ihre Kristallstruktur, je nachdem, wie viel Natrium gerade gespeichert ist. Wird das Material langsam geladen, geht alles geordnet zu. „Schicht für Schicht geht das Natrium aus dem Material – wie in einem Parkhaus, das sich etagenweise leert“, erklärt Dr. Simon Daubner, Gruppenleiter am Institut für Angewandte Materialien – Mikrostruktur-Modellierung und Simulation (IAM-MMS) des KIT. „Aber wenn es schnell gehen muss, wird das Natrium von allen Seiten herausgezogen.“ Dadurch kommt es zu mechanischen Spannungen, die das Material dauerhaft schädigen können.
Forschende am Institut für Nanotechnologie (INT) und am IAM-MMS des KIT haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der Universität Ulm und am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) diese Zusammenhänge mithilfe von Simulationen aufgedeckt und berichten darüber in npj Computational Materials. (jr)
Wie am INT und am IAM-MMS vorgenommene Simulationen zeigten, ist dieser mechanische Einfluss so stark, dass er maßgeblich beeinflusst, wie schnell sich das Material laden lässt. Experimentelle Untersuchungen am ZSW bestätigten die Ergebnisse.
Das damit gewonnene Verständnis der grundlegenden Vorgänge können in die weitere Entwicklung von Batteriematerialien widmen, die langlebig sind und sich möglichst schnell laden lassen. Dadurch könnte der großflächige Einsatz von Natrium-Ionen-Batterien in fünf bis zehn Jahren Wirklichkeit werden, erwarten die Forschenden. (jr)
