Unglaublicher Natrium-Akku aus Korea: Er stellt neuen Lade-Rekord auf

Koreanische Forschende haben eine Natrium-Hybridbatterie mit beeindruckenden Leistungsdaten entwickelt. Diese könnte auch in E-Fahrzeugen eingesetzt werden.

Forschende des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) haben erfolgreich eine leistungsstarke Natrium-Ionen-Hybridbatterie entwickelt, die innerhalb von Sekunden aufgeladen werden kann. Natrium-Batterien gelten als einer der größten Hoffnungsträger für die Entwicklung günstigerer, leistungsstärkerer Batteriesysteme. Natrium ist in deutlich größeren Mengen verfügbar als der bislang wichtigste Batterie-Rohstoff Lithium und findet sich zudem überall auf der Welt, etwa in gewöhnlichem Kochsalz, während Lithium nur in bestimmten Regionen gewinnbringend abgebaut werden kann. Das macht Natrium-Ionen-Energiespeicher potenziell günstiger und somit deutlich attraktiver. Bislang gilt die vergleichsweise geringe Energiedichte als eines der größten Hemmnisse für die Einführung von Natrium-Batterien.

Unter der Leitung von Professor Jeung Ku Kang vom Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik hat das koreanische Forschungsteam nun Anodenmaterialien, die normalerweise in Batterien verwendet werden, mit Kathoden kombiniert, die für Superkondensatoren geeignet sind. Das geht aus einer Pressemeldung des KAIST hervor.

Forschende kombinierten Batterie- und Superkondensator-Materialien

Die Kombination aus Batterie-Anodenmaterialien und Superkondensator-Kathodenmaterialien führte laut der Meldung dazu, dass die neuartige Batterie hohe Speicherkapazitäten und extrem schnelle Lade-/Entladeraten erzielt. Die Entwicklung einer solchen Hybridbatterie mit hoher Energie- und Leistungsdichte erfordere jedoch zudem eine Verbesserung der langsamen Energiespeicherungsraten Anoden sowie eine Verbesserung der relativ geringen Kapazität von Superkondensator-Kathodenmaterialien. Um diesen Voraussetzungen Rechnung zu tragen, hat das Team um Professor Kang zwei verschiedene metallorganische Gerüste für die optimierte Synthese von Hybridbatterien verwendet.

Dieser Ansatz führte zur Entwicklung eines Anodenmaterials mit verbesserter Kinetik durch den Einschluss feiner aktiver Materialien in porösem Kohlenstoff. Darüber hinaus haben die Forschenden ein Kathodenmaterial mit hoher Kapazität synthetisiert. Diese Kombination der Kathoden- und Anodenmaterialien konnte die Unterschiede in den Energiespeicherraten zwischen den Elektroden erfolgreich minimieren.

Die zusammengebaute Vollzelle übertrifft laut der Pressemeldung die Energiedichte kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien und weist die Leistungsdichte von Superkondensatoren auf. Die Forschenden erwarten, dass die Batterie für Schnellladeanwendungen geeignet ist, etwa für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und intelligenten elektronischen Geräte bis hin zum Einsatz in der Luft- und Raumfahrttechnologie.

Blitzschnelles Aufladen: Natrium-Akku erzielt rekordverdächtige Leistungsdichte

Professor Kang zufolge weist die Natrium-Batterie eine Energiedichte von 247 Wh/kg und eine Leistungsdichte von unglaublichen 34.748 Watt/kg auf. Das würde einen Durchbruch bei der Überwindung derzeitiger Grenzen in der Batterietechnologie bedeuten: Zwar sollen die aktuell projektierten Festkörperakkus, in die die Branche ebenfalls große Hoffnungen setzt, Energiedichten von zu 500 Wh/kg erzielen. Die Leistungsdichte der koreanischen Natrium-Batterie ist dafür rekordverdächtig: Ihre Ladedauer würde nach aktuellem Stand der Technik nur von der Ladeumgebung eingeschränkt, also von der Frage, wie viel Leistung ein Ladegerät in den Akku einbringen kann. Laut der Forschungsarbeit, die in der Fachzeitschrift Energy Storage Materials veröffentlicht wurde, übertrifft die Leistungsdichte die bisheriger Batterien um mehr als das Hundertfache.

Die genannte Leistungsdichte von knapp 35 kW/kg würden bei der genannten Energiedichte von 247 Wh/kg rein rechnerisch eine Ladedauer von 26 Sekunden für eine vollständige Ladung bedeuten. Rechnet man diese Werte auf einen 100 kWh großen E-Auto-Akku hoch, wären für diese Ladedauer 14 Megawatt Ladeleistung erforderlich. Zum Vergleich: Die stärksten LKW-Megawattlader mit speziellen Kühllösungen sollen bis zu 4 Megawatt liefern. Die Bereitstellung solcher Ladeleistungen wäre theoretisch vorstellbar – einfach, indem in der Ladesäule ein Akku mit der gleichen Technik als Puffer arbeitet. Die Übertragung per handhabbarer Kabel ist dagegen ein kaum lösbares Problem. Die technische Grenze für Auto-Ladeanschlüsse liegt zur Zeit bei ca. 1.000 Volt und 500 Ampere, also bei 500 kW.

Auch die Haltbarkeit (man spricht von Zyklenfestigkeit), die bei vielen Batterieforschungsprojekten ein technologisches Nadelöhr darstellt, soll bei der Natrium-Batterie mehr als ausreichend sein: In der Forschungsarbeit ist von einer Zyklenstabilität mit rund 100 Prozent coulombischem Wirkungsgrad über 5000 Lade-Entlade-Zyklen die Rede. Lediglich über den prognostizierten Preis für die Batterietechnologie ist bislang nichts bekannt. Die in der Arbeit genannten Materialien sind zwar alle preiswert (neben Natrium kommen Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Eisen und Schwefel vor), die Herstellung der porösen Strukturen und die Dotierung mit Atomen kann aber sehr aufwendig und teuer sein.

Studienleiter Kang rechnet laut der Pressemeldung dennoch mit einer breiteren Anwendung in verschiedenen elektronischen Geräten, darunter auch Elektrofahrzeugen.