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Nicht brennbarer Elektrolyt macht Natrium-Metall-Batterien sicherer
Ein neuer Polymerelektrolyt für Natrium-Metall-Batterien hat im Labor eine hohe Zyklenfestigkeit gezeigt und einem Flammentest standgehalten. Testzellen bewahrten nach 1.000 Ladezyklen noch 90,4 Prozent ihrer anfänglichen Kapazität. Ein flexibler Prototyp konnte sogar im gefalteten und aufgeschnittenen Zustand eine Leuchtdiode betreiben, doch seine Eignung für große Batteriespeicher ist damit noch nicht nachgewiesen.
Gwangju (Südkorea). Natrium ist in großen Mengen verfügbar und gilt deshalb als möglicher Rohstoff für kostengünstigere Batteriespeicher. Bei Natrium-Metall-Batterien erschweren jedoch die hohe Reaktivität des Metalls und unkontrollierte Ablagerungen an der Elektrode einen zuverlässigen Betrieb.
Besonders kritisch ist der Elektrolyt, der die geladenen Natriumionen zwischen den Elektroden transportiert. Herkömmliche organische Flüssigkeiten können leicht brennen und unerwünschte Reaktionen auslösen, während feste Elektrolyte häufig keinen ausreichend guten Kontakt zu den Elektroden herstellen.
Forscher der Chonnam National University (CNU) um Professor Chan-Jin Park haben nun einen Elektrolyten entwickelt, der zunächst flüssig ist und anschließend durch Polymerisation ein formstabiles Netzwerk bildet. Das Material basiert auf einem polymerisierbaren tief eutektischen Lösungsmittel, dessen Bestandteile beim Mischen einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt erreichen.
Die Mischung enthält Natriumperchlorat, N-Isopropylacrylamid (NIPAM) und Succinonitril. Wechselwirkungen zwischen diesen Stoffen erleichtern die Trennung der Natriumionen von ihren Gegenionen, während das polymerisierte NIPAM ein flexibles Gerüst bildet und ein Auslaufen verhindern soll.
Spektroskopische Messungen und Molekulardynamik-Simulationen deuten darauf hin, dass besonders die Wechselwirkung von NIPAM mit den Natriumionen deren Beweglichkeit begünstigt. Die optimierte Elektrolytmischung erreichte bei 30 Grad Celsius eine Ionenleitfähigkeit von 1,39 Millisiemens pro Zentimeter.
„Unser Elektrolyt verbindet einen effizienten Natriumionentransport mit verbesserter Sicherheit, einem geringeren Auslaufrisiko und stabileren Grenzflächen, was ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für praxistaugliche Natrium-Metall-Batterien macht“, erklärt Professor Chan-Jin Park.
In vollständigen Laborzellen mit einer Kathode aus Natriumvanadiumphosphat blieben nach 1.000 Lade- und Entladezyklen bei einer Rate von 2C, die rechnerisch einer vollständigen Entladung in 30 Minuten entspricht, noch 90,4 Prozent der anfänglichen Kapazität erhalten. Das Ergebnis zeigt eine hohe Zyklenfestigkeit unter den gewählten Testbedingungen, erlaubt aber noch keine verlässliche Aussage über die Lebensdauer großer Batteriespeicher.
Auch symmetrische Testzellen, in denen das wiederholte Abscheiden und Auflösen von Natrium untersucht wird, arbeiteten mehr als 1.000 Stunden stabil. In einem separaten Flammentest entzündete sich der entwickelte Elektrolyt während zehn Sekunden direkter Flammeneinwirkung nicht, während eine untersuchte herkömmliche Elektrolytflüssigkeit brannte.
„Unser Elektrolytkonzept für Natrium-Metall-Batterien könnte zu sichereren, kostengünstigeren und nachhaltigeren wiederaufladbaren Batterien führen“, sagt Professor Chan-Jin Park.