Natrium-Ionen-Akkus Batterie-Forscher mindern das Brandrisiko

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Forscher der University of Texas in Austin haben einen Natrium-Ionen-Akku entwickelt, der das Brandrisiko deutlich verringert und auf kostengünstigen, reichlich vorhandenen Materialien basiert.

Möglich wurde dieser Durchbruch bei Natrium-Ionen-Akkus mit einem festen Verdünnungsmittel auf Salzbasis im Elektrolyten, das den Lade-/Entladezyklus erleichtert. Natriumnitrat ermöglichte es den Forschern, nur ein einziges, nicht entflammbares Lösungsmittel im Elektrolyten einzusetzen, wodurch die Batterie als Ganzes stabilisiert wurde.

Brandgefahr bei flüssigen Elektrolyten

Im Laufe der Zeit reagieren die zahlreichen flüssigen Lösungsmittel in einem Elektrolyten mit anderen Komponenten auf eine Weise, welche die Akkus beeinträchtigt und zu Sicherheitsrisiken führt. Natrium, eine Alternative zu Lithium, das einer der Hauptbestandteile dieses Akkus ist, ist sehr reaktiv und ist eine große Herausforderung für die Einführung dieser Art von Akkus. Diese Reaktionen können zum Wachstum nadelartiger Fäden, so genannter Dendriten, führen, die einen elektrischen Kurzschluss im Akku verursachen und sogar Feuer fangen oder explodieren können.

„Akkus fangen Feuer, weil sich die flüssigen Lösungsmittel im Elektrolyten nicht mit anderen Teilen des Akkus vertragen“, erklärt Arumugam Manthiram, Professor in der Walker-Abteilung für Maschinenbau der Cockrell School of Engineering und leitender Forscher des Projekts. „Wir haben dieses Risiko aus der Gleichung herausgenommen, um einen sichereren und stabileren Akku zu schaffen.“

Kostengünstigere Alternative zu den Lithium-Ionen-Akkus

Neben der Verbesserung der Sicherheit ist dieser neue, auf Natrium basierende Akku eine kostengünstigere Alternative zu den Lithium-Ionen-Akkus.

Der neue Akku zeichnet sich auch durch eine hohe Leistung aus. Wie lange ein Akku mit einer einzigen Ladung hält, nimmt mit der Zeit ab. Der neue Natrium-Ionen-Akku behielt über 500 Zyklen hinweg 80 Prozent seiner Kapazität, was dem Standard von Lithium-Ionen-Akkus in Smartphones entspricht.

Außer Natrium enthält der neue Natrium-Ionen-Akku zu 40 Prozent aus Eisen sowie Mangan und Nickel mit jeweils 30 Prozent.

Sicher und kostengünstig herzustellen

„Wir haben einen Natrium-Ionen-Akku entwickelt, der sicher und kostengünstig herzustellen ist, ohne an Leistung einzubüßen“, so Manthiram. „Es ist von entscheidender Bedeutung, Alternativen zu Lithium-Ionen-Akku zu entwickeln, die ihnen nicht nur ebenbürtig, sondern besser sind.“

Obwohl die Forscher diese Technik auf einen Natrium-Ionen-Akku angewandt haben, könnte sie auch auf Zellen auf Lithium-Ionen-Basis angewendet werden – wenn auch mit anderen Materialien.

Umweltbelastender Abbau von Kobald

Der Abbau von Lithium ist teuer und wird wegen seiner Umweltauswirkungen kritisiert, darunter die starke Nutzung des Grundwassers, die Verschmutzung von Boden und Wasser sowie Kohlenstoffemissionen. Im Vergleich dazu ist Natrium im Meer vorhanden, billiger und umweltfreundlicher.

Lithium-Ionen-Akkus verwenden in der Regel auch Kobalt, das teuer ist und vor allem in der Demokratischen Republik Kongo in Afrika abgebaut wird, wo es erhebliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt hat. Im Jahr 2020 stellte Manthiram einen neuartigen, kobaltfreien Lithium-Ionen-Akku vor.

Weitere Autoren der kürzlich in Nature Energy veröffentlichten Arbeit sind Jiarui He, Amruth Bhargav, Laisuo Su, Julia Lamb und Woochul Shin – alle aus dem Programm für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der Cockrell School und dem Texas Materials Institute – sowie John Okasinski vom Argonne National Laboratory. (tk)

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