Dotierte C-Anoden erhöhen Leistung

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Aufgeladen: Revolutionierung wiederaufladbarer Natrium-Ionen-Batterien

Die Dotierung von Kohlenstoff-Anodenmaterial mit verschiedenen Atomen erhöht Leistung und Stabilität von Natrium-Ionen-Batterien, zeigte jetzt ein Wissenschaftlerteam der Korea Maritime and Ocean University. Die Natrium-Ionen-Technologie wäre eine billigere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, wenn nur ihre Neigung zur Selbstzerstörung gebändigt werden könnte. Einer der Gründe für die Selbstzerstörung der Natrium-Ionen, so die Universität, ist, dass sie mit Graphitanoden thermodynamisch instabil sind. Das koreanische Anodenmaterial hat bereits 11.000 Lade-Entlade-Zyklen bei 100 A/g überstanden.

Das vom Team entwickelte, als „nanoskaliges, stickstoffdotiertes Kohlenstoffmaterial“ bezeichnete Material, wurde hergestellt, indem ein Hochspannungsbogen durch eine Pyridin (zyklisch C5H5N) enthaltende Lösung erzeugt wurde, und dann die resultierenden Feststoffe getrocknet, gemahlen und erhitzt wurden.

Wiederaufladbare Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) erleben einen Nachfrageschub, da Technologien wie elektrisch angetriebene Schiffe und andere Fahrzeuge immer beliebter werden. Allerdings ist Lithium sehr teuer, was die Suche nach anderen Optionen vorangetrieben hat. Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) sind eine nachhaltigere Alternative, sind aber thermodynamisch instabil mit Graphit – dem üblichen Anodenmaterial. Jetzt haben Forscher in Korea eine „heteroatom-dotierte“ (modifizierte) Anode auf Kohlenstoffbasis entwickelt, die SIBs hilft, die Leistung von LIBs zu übertreffen.

Da sich die Welt der drohenden Umweltkrise bewusst wird, haben Wissenschaftler mit der Suche nach nachhaltigen Energiequellen begonnen. Wiederaufladbare Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien erleben einen Popularitätsschub, der mit der Produktion von „grüneren“ Technologien wie Schiffen mit Elektroantrieb (die entwickelt werden, um die Umweltvorschriften der International Maritime Organization zu erfüllen) und anderen Elektrofahrzeugen einhergeht. Aber Lithium ist selten und schwer zu verteilen, was seine Nachhaltigkeit in Frage stellt und gleichzeitig das Risiko stark steigender Kosten birgt. Forscher haben sich daher „Natrium-Ionen-Batterien“ (SIBs) zugewandt, die elektrochemisch ähnlich wie Lithium-Ionen-Batterien sind und Vorteile wie eine höhere Natriumverfügbarkeit und eine billigere Produktion bieten. Das derzeitige Standard-Anodenmaterial in SIBs ist jedoch Graphit, das mit Natriumionen thermodynamisch instabil ist und zu einer geringeren „reversiblen Kapazität“ (ein Maß für die Speicherung) und schlechterer Leistung führt.

Aus diesem Grund machten sich die KMOU-Forscher auf die Suche nach einem geeigneten Nicht-Graphit-Anodenmaterial für SIBs. Jun Kang, der leitende Wissenschaftler, sagt: „Da SIBs eine geringe Leistung haben – nur ein Zehntel der Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie – ist es entscheidend, eine effiziente Anode zu finden, die die niedrigen Kosten und die Stabilität von Graphit beibehält.“

In ihrer neuesten, im Journal of Power Sources veröffentlichten Studie berichten die Wissenschaftler nun über die folgenden Strategien, um die Beschränkungen von kohlenstoffbasierten Anodenmaterialien für SIBs zu überwinden:

  1. Verwendung einer hierarchischen porösen Struktur, die in der Lage ist, einen schnellen Na+-Transport von der Bulk-Zone des Elektrolyten zur Grenzfläche des aktiven Materials zu fördern;
  2. Beibehaltung großer spezifischer Oberflächenbereiche, an denen Na+ zur Grenzfläche mi- griert, die im aktiven Material leicht zugänglich ist;
  3. Beibehaltung von Oberflächendefekten und Porenstrukturen, die eine Kointerkalation von der Oberfläche in das Innere ermöglichen;
  4. Beibehaltung von Nanostrukturen in Na+, die aus Defekten und Poren in das aktive Material eingebracht werden, die kurze Diffusionswege haben können; und
  5. Erhöhung der Anzahl aktiver Stellen durch extrinsische Defekte, die aus diesen Elementen durch Hetero-Element-Dotierung entstehen.

Diese Strategien führten dazu, dass die elektrochemische Leistung der Batterie deutlich verbessert wurde und sogar die von aktuellen Lithium-Ionen-Batterien übertraf. In zwei ihrer früheren Studien testeten sie diese Methode erfolgreich mit Phosphor und Schwefel, die jeweils auf den Titelseiten von Carbon und ACS Applied Materials & Interfaces vorgestellt wurden.

Kang ist optimistisch, was die verschiedenen potenziellen Anwendungen ihrer Technologie angeht, z. B. in elektrisch angetriebenen Schiffen und anderen Fahrzeugen, Drohnen und sogar Hochleistungs-CPUs. „Diese fünf Faktoren ermöglichen eine gute Kapazitätserhaltung, eine reversible Kapazität, eine ultrahohe Zyklenstabilität, eine hohe anfängliche coulombische Effizienz (80 %) und eine bemerkenswerte Ratenfähigkeit. Das bedeutet, dass sie auch bei intensivem Batteriegebrauch lange Zeit genutzt werden können“, erklärt er.

In Anbetracht der Vorteile von Natrium gegenüber Lithium haben diese Erkenntnisse sicherlich wichtige Implikationen für die Entwicklung nachhaltiger, kostengünstiger und leistungsstarker Batterien und können der Realisierung einer energieeffizienten Zukunft etwas näher rücken.

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