Natriumakku lädt in vier Minuten und übersteht 6.000 Betriebsstunden

Lithium dominiert den Batteriemarkt, doch Forscher:innen weltweit suchen nach günstigeren Alternativen. Natrium bietet sich an: Das Element ist reichlich verfügbar, unterliegt keinen kritischen Lieferkettenproblemen und lässt sich mit ähnlichen Fertigungsverfahren verarbeiten. Ein chinesisches Forschungsteam hat nun einen Elektrolyten für Natrium-Metall-Akkus entwickelt, der zwei lange offene Probleme gleichzeitig löst: langsames Laden und instabile Elektroden-Grenzflächen.

Doppelter Mechanismus im Elektrolyten

Das Team der Southeast University, in Zusammenarbeit mit HiNa Battery Technology und der Yangzhou University, setzte auf ein sogenanntes Quasi-Festkörper-Elektrolyt (QSE). Solche Elektrolyte liegen in ihren Eigenschaften zwischen flüssigen und vollständig festen Varianten; sie verbinden gute Ionenleitfähigkeit mit erhöhter Sicherheit.

Der entscheidende Kniff: Die Forscher:innen koppelten zwei Additive miteinander, die jeweils auf unterschiedlichen Ebenen eingreifen. Zinn-Ionen (Sn²⁺) steuern die Polymerisationsreaktion, die das Elektrolyt-Netzwerk bildet, und sorgen gleichzeitig am negativen Pol für die Entstehung einer Natrium-Zinn-Legierungsschicht. Diese Schicht wirkt als gleichmäßiges Fundament für die Natrium-Abscheidung und verhindert so die Bildung von Dendriten, also nadelförmigen Metallstrukturen, die Kurzschlüsse und Batterieversagen auslösen können. Das zweite Additiv, Difluor(oxalato)borat (DFOB⁻), bremst die Polymerisation auf ein kontrolliertes Niveau und bildet am positiven Pol eine dünne, mechanisch belastbare Schutzschicht.

Nahezu ungehinderte Ionenwanderung

Der resultierende Elektrolyt erreicht eine Natrium-Ionen-Transferzahl von 0,94 — ein Wert nahe der theoretischen Obergrenze von 1,0, bei der ausschließlich Natrium-Ionen den Stromfluss tragen. Herkömmliche Quasi-Festkörper-Elektrolyte liegen typischerweise zwischen 0,4 und 0,7. Gleichzeitig bleibt die ionische Leitfähigkeit mit 1,3 mS/cm auf hohem Niveau, was bei Ansätzen zur Erhöhung der Transferzahl häufig auf der Strecke bleibt.

Molekulardynamik-Simulationen zeigen, warum: DFOB⁻ schwächt die Bindung zwischen Natrium-Ionen und dem Polymer-Netzwerk, was mehr freie Ionen für den Transport freisetzt. Die simulierte Natrium-Diffusionsrate lag bei 16,8 Å² ns⁻¹, rund sechsmal höher als in herkömmlichen Flüssigelektrolyten.

Vom Labormuster zur gefalteten Taschenzelle

Die Labortests lieferten bemerkenswerte Ergebnisse. Symmetrische Testzellen mit reinen Natrium-Elektroden arbeiteten 6.000 Stunden lang ohne dendritisches Versagen. Vollzellen mit Natriumvanadiumphosphat-Kathoden behielten bei einer Ladegeschwindigkeit von 3C nach 2.000 Zyklen noch 90 Prozent ihrer Kapazität. Bei 15C — was einer vollständigen Ladung in etwa vier Minuten entspricht — lieferten die Zellen noch 80,1 mAh/g. Das elektrochemische Stabilitätsfenster reicht bis 4,7 Volt, was die Kompatibilität mit leistungsstärkeren Kathodenmaterialien öffnet.

Die Forscher:innen ließen es nicht bei Münzzellen bewenden. Eine druckfreie Taschenzelle im Format 4 × 5 cm ließ sich wiederholt falten und lud währenddessen ein Smartphone. Hochbeladene Zellen mit fünf Milligramm Aktivmaterial pro Quadratzentimeter behielten nach 500 Zyklen noch 75 Prozent ihrer Kapazität. Das Team sieht das Prinzip der verschränkten Additive auch auf Lithium- und Kalium-Metall-Akkus übertragbar und den Ansatz als kompatibel mit bestehenden Fertigungsverfahren. Die Studie erschien in Nano-Micro Letters.

via Interesting Engineering