27.07.2020 • Energie

Schlüssel zu effizienten Natrium-Batterien

Doppelschichten aus Graphen lagern mehr Natriumatome ein als pures Graphit.

Batterien für Smartphones und Elektroautos basieren heute in der Regel auf der Lithium-Ionen-Technik. Doch rund um den Globus sucht die Fachwelt nach Alternativen für deutlich kostengünstigere Akkus. Eine Möglichkeit wäre, Lithium durch Natrium zu ersetzen, einem allgegenwärtigen und damit sehr preiswerten Element. Dafür sind aber noch diverse Hürden zu meistern. Unter anderem nimmt die Graphit-Anode der Batterie bisher zu wenig Natrium auf. Hoffnung verspricht nun eine theoretische Studie unter Federführung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf HZDR: Sie legt nahe, dass Doppelschichten aus Graphen, hauchdünnem Kohlenstoff, deutlich mehr Natriumatome einlagern könnten als im Graphit.

Abb.: Computer-Simulationen zeigen, dass sich Natrium (gelb) – anders als... — Abb.: Computer-Simulationen zeigen, dass sich Natrium (gelb) – anders als bislang vermutet – nicht als einzelne Atomschicht, sondern mehrlagig zwischen zwei Graphen-Schichten anordnet. (Bild: M. Ghorbani-Asl)

Ende 2018 gelang einem Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart, der Universität Ulm und des HZDR ein bemerkenswertes Experiment: Als die Fachleute Lithium zwischen zwei dünne Graphen-Schichten einlagerten, bildete sich dazwischen nicht nur eine Lage von Lithiumatomen, sondern gleich mehrere Schichten. „Es ist so, als würde man kleine Bälle zwischen zwei Blatt Papier legen“, erläutert Physiker Arkady Krasheninnikov. „Stopft man immer mehr Bälle hinein, werden die Papierblätter auseinandergedrückt und lassen mehr Platz zwischen sich.“ Ein durchaus unerwartetes Resultat. Denn bei Graphit ließ sich meist nur die Einlagerung einzelner Lithium-Lagen zwischen den hauchdünnen Kohlenstoffschichten beobachten.

Das Team konnte den Prozess mittels ausgefeilter Computersimulationen auch theoretisch beschreiben. Die Perspektive: Würde man statt den heute üblichen Graphit-Anoden künftig Graphen-Elektroden in Lithium-Akkus einbauen, ließen sich womöglich deutlich höhere Speicherkapazitäten erreichen. Inspiriert von diesem Resultat widmete sich ein deutsch-russisches Team um Krasheninnikov nun einer neuen Frage: „Wenn die Sache mit der Mehrfach-Einlagerung bei Lithium funktioniert – könnte es dann auch bei anderen Alkalimetallen klappen, speziell bei Natrium?“ Schon länger gilt Natrium als vielversprechender Kandidat für die Akkutechnik: Da es viel häufiger als Lithium auf der Erde vorkommt, könnten sich damit deutlich preisgünstigere Batterien fertigen lassen. Das Problem: Bisherige Prototypen funktionieren unter anderem deshalb noch nicht besonders gut, weil sich Natrium nur widerwillig in die Graphitanoden begibt.

Um herauszufinden, ob Doppelschichten aus Graphen womöglich das Zeug haben, deutlich mehr Natrium einzulagern, initiierte die Arbeitsgruppe eine Reihe von aufwändigen Supercomputer-Simulationen. „Dank des immensen Wachstums der Rechenleistung und der Entwicklung effizienter Algorithmen haben wir heute sehr leistungsfähige Methoden zur Hand, um neue Materialien zu untersuchen“, erklärt der Physiker. „Sie erlauben es, detaillierte Materialstrukturen und Eigenschaften vorauszusagen, ohne allzu viele Annahmen in die Berechnungen hineinzustecken, und haben sich in ihrer Aussagekraft als sehr zuverlässig herausgestellt.“ Das Resultat dieser Computerexperimente: Ebenso wie Lithium sollte sich auch Natrium nicht nur als eine Schicht, sondern in mehreren Lagen übereinander zwischen den Graphen-Blättchen einlagern können.

Für die Batterieforschung ist das eine potentiell frohe Botschaft: Womöglich weist das neue Resultat die Richtung, die die Entwicklung künftiger Anoden für preisgünstige Natrium-Akkus nehmen könnte. „Unsere Arbeit ist rein theoretischer Natur, und wir erheben nicht den Anspruch, dass auf der Grundlage unserer Ergebnisse in absehbarer Zeit eine neue Batterie-Generation entwickelt wird“, betont Krasheninnikov. „Aber vielleicht bringen unsere Resultate die Ingenieure ja auf neue, interessante Ideen.“ Ähnliches könnte für einen weiteres zweidimensionales Material gelten, das die Theoretiker unter die Lupe nahmen – Molybdändisulfid (MoS₂). Einerseits könnte es wie Graphen als künftiges Elektrodenmaterial für Akkus fungieren. „Andererseits lässt es sich mit Stoffen wie Lithium oder Natrium dotieren“, erläutert Krasheninnikov. „Und dadurch könnte man daran denken, die elektronischen Eigenschaften von Molybdändisulfid maßzuschneidern, zum Beispiel um das Material zu einem Supraleiter zu machen.“

HZDR / JOL