Ein theoretischer Schritt zum Natrium-Akku

Batterien für Smartphones, Laptops 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 (DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104927) einer deutsch-russischen Arbeitsgruppe 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. 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 HZDR-Physiker Dr. 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 – einem engen Verwandten von Graphen – ließ sich meist nur die Einlagerung einzelner Lithium-Lagen zwischen den hauchdünnen Kohlenstoffschichten beobachten.

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?“ Um herauszufinden, ob Doppelschichten aus Graphen womöglich das Zeug haben, deutlich mehr Natrium einzulagern, initiierte die Arbeitsgruppe aus Dresden, Stuttgart und Moskau eine Reihe von aufwändigen Supercomputer-Simulationen. 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. 

 

Weitere Informationen finden Sie hier.

Bild: Ghorbani-Asl