Herkömmlich aufgebaute Natrium-Ionen-Batterien verlieren beim ersten Laden einen Teil ihrer Speicherkapazität. Grund dafür ist eine irreversible chemische Reaktion zwischen der Anode und dem Elektrolyten, die bereits während der Herstellung der Batterie eintritt.
Dabei zersetzen sich Elektrolyt-Moleküle an der Anode aus hartem Kohlenstoff und dringen in deren Poren ein. Erst wenn sich ein stabiler Schutzfilm auf der Anode gebildet hat, kommt dieser Prozess zum Stillstand.
Dieser schützt die Anode vor weiterer Zersetzung durch den Elektrolyten, verbraucht jedoch einen Teil der speicherbaren Energie, da er selbst aus Natrium-Ionen besteht. Er bindet also jene Ladungsträger, die für den Ladungstransport in der Batterie zuständig sind.
Bei Lithium-Ionen-Batterien tritt dieses Problem kaum auf, da sich auf deren Anoden aus dichtem Graphit die Schutzschicht leichter bildet. In der Regel liegt die Effizienz des Akkus somit bei über 90 Prozent. Natrium kann jedoch nicht in Graphit eingelagert werden. Deshalb wird bei diesem Batterietyp generell ein anderes Anodenmaterial benötigt. Hier haben sich sogenannte harte Kohlenstoffe als die beste Wahl erwiesen – bis auf die erwähnten Nachteile beim ersten Ladevorgang.
Zur Lösung dieses Problems hat das Team der BAM ein Verfahren entwickelt: Sie umhüllen einen porösen, also schwammartigen harten Kohlenstoff als Speichermaterial im Kern der Anode mit einer hauchdünnen Schicht, die wie ein Filter wirkt. Sie lässt die erwünschten Natrium-Ionen passieren, hält aber störende Elektrolyt-Moleküle fern. So bleibt die Speicherkapazität der Anode erhalten und die Batterie kann über viele Ladezyklen hinweg ihre Leistung beibehalten. Das maßgeschneiderte Material basiert auf Aktivkohle, einem günstigen und umweltfreundlichen Material, wodurch die Technologie auch wirtschaftlich interessant wird. Die Ergebnisse wurden jetzt im Fachblatt „Angewandte Chemie” vorgestellt.
Die in der Studie entwickelten Materialien erreichen bereits jetzt eine Anfangseffizienz von 82 Prozent. Ohne Beschichtung liegt dieser Wert bei 18 Prozent. Das BAM-Team hält weitere Fortschritte für wahrscheinlich. (jr)
