Metall-Luft-Akkus mit Natrium versprechen lange Lebensdauer

Gießen/Karlsruhe – Elektroautos mit mehreren hundert Kilometern Reichweite und Smartphones, die wochenlang nicht aufgeladen werden müssen: Diese Zukunft könnte mit einem Wechsel vom bisher favorisierten Metall Lithium zum etwas schwereren Natrium gelingen. Forscher entwarfen dazu ein neues Konzept für sogenannte Natrium-Luft-Batterien. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ berichten, zeigten ihre ersten Prototypen eine deutlich höhere Stabilität und weniger Spannungsverluste als die eng verwandten Lithium-Luft-Batterien. Bis zu einem marktfähigen Akku müssten jedoch noch große Herausforderungen gemeistert werden.

bläuliche Mikroskopaufnahme, würfelförmige Strukturen hänen zwischen dicken, gewundenen Schnüren.
Natriumsuperoxidpartikel

„Anders als im Falle der international verfolgten Lithium-Sauerstoff-Technologie treten mit Natrium nur sehr geringe Spannungsverluste beim Entladen und Laden auf“, sagt Jürgen Janek von der Justus-Liebig-Universität in Gießen. Dieses viel versprechende Verhalten entdeckte er mit dem Prototypen einer Natrium-Luft-Batterie, den er zusammen mit Kollegen des Karlsruher Instituts für Technologie und dem Chemiekonzern BASF entwickelt hatte. Der Grund für diesen wesentlichen Vorteil gegenüber Lithium-Luft-Zellen liegt in der elektrochemischen Bildung von Natriumsuperoxid, das deutlich stabiler ist als Lithiumsuperoxid.

Während der Entladung bei circa 2,2 Volt wird das Alkalimetall Natrium an einer Kathode aus Kohlenstoff elektrochemisch mit dem Sauerstoff der Luft zum stabilen Natriumsuperoxid verknüpft. Beim Ladeprozess findet der umgekehrte Prozess statt und es entsteht wieder Natrium und Sauerstoff. Die Ladeeffizienz rangierte dabei bei hohen Werten von 80 bis 90 Prozent. Während der Ladezyklen traten zudem deutlich geringere Spannungsverluste auf als bei vergleichbaren Lithium-Luft-Systemen.

Mit gut 1600 Wattstunden pro Kilogramm liegt die theoretische Energiedichte von Natrium-Luft-Akkus allerdings nur etwa bei der Hälfte im Vergleich zu Lithium-Luft-Modulen. Dennoch überflügeln sie damit derzeitige Akkutechnologien um ein Vielfaches. Einsatzreif sind beide Konzepte allerdings noch nicht. „Wie bei allen Zellkonzepten, die vollkommen neu sind, gibt es noch viel Entwicklungs- und Optimierungsbedarf“, sagt Janek. So könne er heute noch nicht sagen, ob sich in Zukunft Lithium oder Natrium als bevorzugtes Akkumaterial durchsetzen werde.

Parallel zu diesen Alkalimetall-Luft-Systemen wird derzeit auch an anderen Kombinationen für zukünftige Akkus gearbeitet. Lithium-Eisenphosphat-Zellen konnten sich wegen der geringeren Materialkosten bereits in einigen Bereichen durchsetzen. Und auch die Reaktion von Lithium mit Schwefel unter Bildung von Lithiumsulfid wird derzeit in einigen Laboren untersucht und könnte Elektromobilen Reichweiten von etwa 400 Kilometern bescheren. Mit der Forschung an Natriumsystemen besetzen die Gießener Forscher heute eine noch wenig beachtete Nische. Doch diese Arbeiten haben das Potenzial, die Entwicklung langlebiger Akkus mit bisher unerreichten Ladekapazitäten weiter voran zu treiben.