Lithium-Ionen-Akkus sind die am weitesten verbreiteten mobilen Energiespeicher der Welt. Egal ob Laptops, Tablets, Handys oder Elektroautos: Ohne Lithium-Ionen-Akkus blieben diese Geräte tot. Jedoch sind derartige Akkus nicht die perfekte Lösung. Sie verlieren mit der Zeit an Kapazität und können unter Umständen sogar gefährliche Explosionen oder Feuer verursachen. Außerdem ist Lithium eine teure und knappe Ressource. Forscher des Nagoya Instituts für Technologie haben unter Umständen eine Alternative gefunden: Sie identifizierten eine Natriumverbindung, die zukünftig in Akkus zum Einsatz kommen könnte und gegenüber Lithium einige Vorteile hat.


Natrium als Alternative zu Lithium

Natrium ist eine Alternative zu Lithium, die nicht nur deutlich günstiger ist, sondern bei der auch in Zukunft keine Knappheit zu erwarten ist. Es handelt sich im Periodensystem der Elemente um das auf Lithium folgende Alkalimetall und besitzt ähnlich wie Lithium eine hohe Ionisationsneigung, was hohe Energiedichten ermöglicht.


Bisherige Natrium-Ionen-Akkus haben allerdings nur geringe Energiedichten und geben ihre Energie nur langsam ab, was sie bisher nicht zu geeigneten Alternativen für Lithium-Ionen-Akkus machte. Eine Gruppe von Forschern rund um Naoto Tanibata vom Nagoya Institut für Technologie hat sich daher unter 4314 Natriumverbindungen auf die Suche nach einer geeigneten Verbindung für neue Akkutechnologien gemacht.

Schnelles Laden und Entladen

Eine Analyse der Verbindungen mit einem Computerprogramm brachte Ergebnisse: Das Team konnte ein Natrium-Vanadium-Oxid (Na2V3O7) identifizieren, das aufgrund seiner kristallinen Struktur besonders gut geeignet sein könnte, als Material für die Kathode von Natrium-Ionen-Akkus zu fungieren. „ Eines der Merkmale ist die Bildung eindimensionaler Nanoröhrchen aus Vanadium-Pentoxid (VO5). Diese Nanotubes bilden eine Wabenstruktur, in deren Innenräumen und an deren Rändern die Natriumionen verteilt sind„, erklären die Forscher.

Die identifizierte Verbindung ermöglicht durch diese Struktur eine besonders schnelle Migration von Natriumionen, was bedeutet, dass entsprechende Akkus sehr schnell aufgeladen und entladen werden können.

Außerdem sind die Elektroden aus dieser Natriumverbindung relativ haltbar. Die Nanoröhrchen-Struktur der Verbindung blieb auch nach 50 Ladezyklen noch intakt. „ Die Kapazität blieb auch beim 50. Zyklus noch bei rund 94 Prozent„, so die Forscher. Damit produzierte die Verbindung deutlich bessere Ergebnisse als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings gibt es auch noch Probleme: Bisher liegt die in der Praxis erreichte Kapazität von Natrium-Vanadium-Oxid nur bei ungefähr der Hälfte der theoretisch erreichbaren Kapazität von 173 Milliampere pro Gramm. Die Forscher sind jedoch optimistisch, dass sie die Leistung des Materials weiter steigern können.

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