15/01/2018 - Neue Materialien für die nächste Generation von Batterien

Menéame

Eine Forscherin der Abteilung für anorganische Chemie der UPV/EHU Paula Sanchez Fontecoba hat neue Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien studiert und ein neues Polymer die sich genauso verhalten könnte wie Anoden sowie als Bindemittel.

Der stetige Anstieg des Energieverbrauchs, vor allem auf der Grundlage fossiler Brennstoffe, verursacht ernsthafte Umweltprobleme. Die Alternative könnte die Nutzung erneuerbarer Energiequellen sein, aber ihre Intermitation erschwert ihre Nutzung, so dass elektrische Speichergeräte zunehmend notwendig werden. Die elektrochemischen Lagersysteme im Allgemeinen und die Batterien im Besonderen werden als die beste Lösung für diesen Nachteil dargestellt. "Seit ihrer Vermarktung waren Lithium-Ionen-Batterien (Li-ion) die vorherrschende Technologie auf dem Markt. Die Natrium-Ionen-Batterien (Na-ion) haben sich jedoch zu einer Alternative zur Li-ion-Technologie für ortsfeste Anwendungen entwickelt, bei denen das Gewicht des Geräts wegen der geringeren Natriumkosten im Verhältnis zu Lithium, seiner größeren Fülle und seiner homogeneren Verteilung nicht von großer Bedeutung ist," so Paula Sanchez, Verfasserin der Studie.

Obwohl Natrium ähnliche chemische Eigenschaften wie Lithium aufweist, ist die Li-ion-Technologie nicht direkt übertragbar. Daher ist die Suche nach neuen kompatiblen Materialien für Natriumbatterien notwendig. Die UPV/EHU-Forschung konzentrierte sich insbesondere auf die anodischen Materialien für diese Art von Batterien.

Ein neues Material zwei in einem

Zum einen wurden bei dieser Arbeit die Hartkohle-Materialien aus Lignin entwickelt, einem nicht essbaren Biopolymer, das in Pflanzen vorkommt. Für die Synthese dieser Materialien wurde Lignin aus dem schwarzen Likör isoliert, einem Abfall aus der Papierindustrie. Die Optimierung der Synthese zielt auf die Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften von Kohlen durch Verbesserung ihrer Reinheit ab. Dabei wurden verschiedene Charakterisierungstechniken eingesetzt, um die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Kohlematerialien und ihre elektrochemischen Eigenschaften zu korrelieren. Sánchez zufolge "haben sich die Kohlen angesichts der geringen Kosten ihres Vorläufers, ihrer Einfachheit der Synthese, ihrer Nichttoxizität und relativ hoher Speicherkapazität als vielversprechende Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien erwiesen."

Außerdem wurden kostengünstige, leicht synthetisierte und sichere polymere Anodenmaterialien entwickelt. Außerdem haben sie den großen Vorteil, dass sie als Bindemittel verwendet werden können. "Wenn eine Batterie auf industrieller Ebene hergestellt wird, muss die Elektrode gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Zu diesem Zweck wird normalerweise ein Brauchmittel hinzugefügt, das aber wiederum zum Gewicht der Batterie beiträgt und die Energiedichte der Batterie verringert," erklärt Sanchez. Deshalb wird immer versucht, diesen Inhalt so weit wie möglich zu reduzieren. In dieser Arbeit "wir haben es geschafft, ein neuartiges Material zu entwickeln, ein Bindemittelpolymer, das zwar ein gewisses Gewicht in der Batterie erzeugt, aber auch die Natriumionen einsetzen kann, das heißt, es funktioniert auch als Anode, so dass das Übergewicht teilweise durch die zusätzliche Kapazität des neuen Polymers gemildert wird," fügt Paula Sanchez hinzu.

In Anbetracht der erzielten Ergebnisse fügte die Forscherin hinzu, dass "ein Großteil der wissenschaftlichen Gemeinschaft nun der Untersuchung von Natriumionenbatterien gewidmet ist, die in kurzer Zeit mit Lithium-Ionen-Batterien konkurrieren können, die bereits für stationäre Anwendungen in Verkehr gebracht wurden."

Weitere Informationen

Diese Untersuchung wurde im Rahmen der Dissertation von Paula Sánchez Fontecoba (Barakaldo, 1987) durchgeführt, die unter der Leitung von Dr. Theophil Red, wissenschaftlicher Leiter von CIC Energigune und Professor der Abteilung für anorganische Chemie der UPV/EHU, und Dr. Elizabeth Castillo, postdoktorielle Forscherin an der Universität Cambridge.

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