13.11.2019 • Energie

Einstieg in die Post-Lithium-Technologie

Polymerkathoden für leistungsstarke und langlebige Natrium-Ionen-Batterien.

Preiswerte und umweltfreundliche Metalle wie Natrium und mehrwertige Leichtmetalle sollen einmal Lithium in der Batterietechnologie ersetzen. Eine große Herausforderung ist jedoch die Entwicklung langlebiger und stabiler Elektroden mit hoher Energiedichte und gleichzeitig schneller Lade- und Entladerate. Ein Wissenschaftlerteam aus den USA und China hat hierfür eine Hochleistungskathode aus einem organischen Polymer entwickelt. Das Material eignet sich besonders für wiederaufladbare Batterien mit Natrium-Ionen-Technik.

Abb.: Weiterentwickelte Pyrazin-Polymerkathoden eignen sich für... — Abb.: Weiterentwickelte Pyrazin-Polymerkathoden eignen sich für wiederaufladbare Batterien mit Natrium-Ionen-Technik. (Bild: Wiley-VCH)

Organische Materialien bieten sich insbesondere an, weil sie meist keine schädlichen und teuren Schwermetalle enthalten und sich leicht für verschiedene Zwecke anpassen lassen. Leider lösen sie sich im flüssigen Elektrolyten auf, sodass eine solche Elektrode instabil ist. Chunsheng Wang von der University of Maryland in den USA und ein internationales Team von Wissenschaftlern haben eine organische Polymerkathode entwickelt, die sich nicht auflöst, gleichzeitig aber mit einer hohen Kapazität bei schneller Entladung und Ladung aufwartet. Für das Natrium-Ion zeigte sie eine deutlich bessere kurz- und langfristige Kapazität als andere Kathoden aus polymeren oder anorganischen Materialien. Auch für das Magnesium- und Aluminium-Ion waren die Daten laut der Studie hervorragend.

Als Kathodenmaterial mit hoher Energiedichte und guter Einlagerungsbereitschaft für Metallionen identifizierten die Wissenschaftler die organische Verbindung Hexaazatrinaphthalin HATN. In Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren wurde das HATN bereits getestet, aber wie die meisten organischen Materialien löste es sich im Elektrolyten auf. Um das Material zu stabilisieren verknüpften die Forscher die einzelnen Moleküle mit Bindungsbrücken. Entstanden war ein organisches Polymer namens polymeres HATN oder PHATN. Die Kapazität für das Natrium-, Aluminium- und das Magnesium-Ion war ausgezeichnet.

Getestet wurde die PHATN-Kathode dann in Metall-Ionen-Batterien mit einem hochkonzentrierten Elektrolyten. Die Batteriedaten waren hervorragend. Die Natrium-Ionen-Batterie konnte bei einer Spannung von 3,5 Volt betrieben werden und wies den Angaben nach selbst nach 50.000 Lade-Entlade-Zyklen noch eine stolze Kapazität von über hundert Milliamperestunden pro Gramm auf. Die Magnesium-Ionen- und die Aluminium-Ionen-Batterie waren kaum schlechter. Solche weiterentwickelten Pyrazin-Polymerkathoden könnten in umweltfreundlichen, langlebigen, wiederaufladbaren Hochleistungsbatterien der nächsten Generation eingesetzt werden.

GDCh / RK