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Atomtausch bremst den Kapazitätsverlust von Natrium-Schwefel-Akkus
Ein einzelnes Stickstoffatom an der richtigen Stelle könnte Natrium-Schwefel-Akkus ausdauernder machen: Es verändert die Elektronenverteilung eines Aluminium-Katalysators und bremst dadurch störende Zwischenprodukte. Eine experimentelle Schwefelkathode hielt ihre Kapazität über Tausende Ladezyklen vergleichsweise stabil. Gemeldet wurde ein durchschnittlicher Verlust von nur 0,017 Prozent pro Zyklus über 2.500 Zyklen.
Hefei (China). Natrium und Schwefel sind vergleichsweise preiswerte und gut verfügbare Ausgangsstoffe für Energiespeicher. Doch in Batterien mit diesen Elementen laufen beim Laden und Entladen Reaktionen ab, die ihre Speicherkapazität erheblich verringern können.
Ein Problem sind Natriumpolysulfide: Diese Verbindungen entstehen als Zwischenprodukte und können sich aus der Schwefelkathode herausbewegen. Dieser sogenannte Shuttle-Effekt entzieht der Elektrode reaktionsfähiges Material und beeinträchtigt die Umwandlung zwischen Schwefel und seinen reduzierten Formen. Katalysatoren sollen die Zwischenprodukte festhalten und die Reaktionen beschleunigen.
Forscher der Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) um Prof. Fangcai Zheng haben dafür einzelne Aluminiumatome auf Kohlenstoff fixiert und ihre unmittelbare Nachbarschaft gezielt verändert. In der symmetrischen Ausgangsanordnung war jedes Aluminiumzentrum von vier Sauerstoffatomen umgeben. In der neuen Variante nimmt ein Stickstoffatom den Platz eines der vier Sauerstoffpartner ein.
Dieser kleine Eingriff bricht die Symmetrie und verändert die Verteilung der Elektronen in der Umgebung des Aluminiums. Dadurch überlappen nach der Analyse elektronische Zustände von Aluminium und Schwefel stärker, sodass die Natriumpolysulfide besser gebunden und schneller elektrochemisch umgesetzt werden. Die unerwünschte Wanderung dieser Zwischenprodukte wird so abgeschwächt.
Aluminium gehört zu den Hauptgruppenmetallen, deren einzelne Atome als Katalysatoren bislang oft weniger reaktiv sind als bestimmte Übergangsmetalle. Der neue Ansatz zeigt, dass sich ihre katalytische Aktivität durch eine gezielt veränderte atomare Umgebung verbessern lässt.
Bei einer im Labor untersuchten Schwefelkathode mit dem Aluminium-Kohlenstoff-Material ermittelte die Arbeitsgruppe nach 100 Lade- und Entladezyklen bei 0,1 C eine spezifische Kapazität von 1.196 Milliamperestunden pro Gramm. Die Rate von 0,1 C entspricht dabei einer vergleichsweise langsamen Entladung.
In einem Langzeittest über 2.500 Zyklen ging die Kapazität im Mittel um 0,017 Prozent pro Zyklus zurück. Nach den Angaben der Fachpublikation schnitt das Material damit besser ab als die meisten dort verglichenen Einzelatom-Katalysatoren aus Übergangsmetallen. Diese Werte beschreiben allerdings das untersuchte Laborsystem und keine bereits verfügbare Batterie für den Alltag.
Der Fortschritt liegt weniger in einem neuen Akkuprinzip als in der gezielten Gestaltung eines katalytisch wirksamen Einzelatoms. Bereits der Austausch eines seiner nächsten Nachbaratome kann beeinflussen, wie effizient Schwefelverbindungen festgehalten und umgesetzt werden.
Für den Einsatz in größeren Batteriespeichern bleiben wichtige Fragen offen. Aus dem öffentlich zugänglichen Abstract lässt sich nicht beurteilen, wie sich solche Elektroden bei hoher Schwefelbeladung, in größeren Zellen oder unter wechselnden Betriebsbedingungen bewähren. Die gemessenen Kapazitätswerte lassen deshalb noch keine zuverlässige Prognose für die Energiedichte und Lebensdauer eines marktreifen Akkus zu.