Perfekte Natriumverbindung errechnet 12.02.2019, 14:11 Uhr

Japanische Forscher wollen Natrium als Alternative zu Lithium aufbauen

Wissenschaftler des Nagoya Institute of Technology setzen neuen Meilenstein in der Ionen-Akkumulatoren-Technologie. Durch eine Natrium-Vanadium-Oxid-Verbindung könnten Lithium-Ionen-Akkus zumindest im stationären Bereich bald der Vergangenheit angehören.

Das Element Natrium steht als rotes Klotz mit Füßen und Händen auf dem Periodensystem

Könnte Natrium in Akkus bald das seltene Lithium ablösen?

Foto: panthermedia.net/conceptw

Natrium weist eine ähnlich hohe Ionisationsneigung wie Lithium auf, wodurch ebenso hohe Energiedichten – zumindest in der Theorie – möglich wären. Außerdem besitzt Natrium eine hohe Diffusivität und erlaubt dadurch höhere Leistungsabgaben, was vor allem der Elektromobilität zugutekommen könnte. Mithilfe eines Computerprogramms analysierten Naoto Tanibata, Assistenzprofessor am japanischen Nagoya Institute of Technology, und sein Team die Eigenschaften von insgesamt 4.314 Natriumverbindungen. Und entdeckten dabei eine Natrium-Vanadium-Verbindung (Na2V3O7), die als Kathodenmaterial für einen Akkumulator geeignet wäre.

Kristallstruktur verringert Innenwiderstand

Bei konventionellen Natrium-Ionen-Akkus sammeln sich an der Graphit-Anode Ionen, statt sich zur Kathode aus Natrium zu bewegen. Dabei bildet sich eine Grenzschicht zwischen den beiden Polen, die den Innenwiderstand und dadurch die Kapazität des Akkus verringert. Bei der Natrium-Vanadium-Verbindung allerdings wäre der Innenwiderstand weitaus geringer, was durch eine bestimmte Kristallstruktur erreicht wird. Diese wird durch eindimensionale Nanoröhren gebildet. Dabei handelt es sich um Einheiten, in denen ein Vanadiumatom quadratisch pyramidal von fünf Sauerstoffatomen umgeben ist. Die Nanoröhren sind als Wabenstruktur ausgerichtet. Im Inneren und an den Kanten sind Natriumionen verteilt, die sich sowohl ein- als auch dreidimensional ausbreiten können.

Wissenschaftlern zufolge würde sich der Einsatz dieser neuen Technologie anfangs auf den stationären Bereich fokussieren, da bei diesem Typ die Kapazität noch weit unter der von Lithium-Ionen-Akkus liegt. Im weiteren Verlauf sollen jedoch ähnliche Energiedichten erreicht werden. Doch auch im mobilen Sektor steht die Forschung nicht still. Akkus auf Magnesiumbasis bilden das Gegenstück zu der weit verbreiteten Lithium-Technologie. Das KIT stellte gerade eine Akkutechnologie auf Basis einer Magnesium-Luft-Batterie vor, die die Reichweite von Elektroautos vervierfachen soll.

Funktionsprinzip von Natrium-Ionen-Akkus

Das Funktionsprinzip von Akkus beruht darauf, dass elektrische Energie in chemische umgewandelt wird und diesen Prozess bei Energieentnahme umkehrt. Je nach verwendetem Material unterscheiden sich die spezifischen Eigenschaften wie Energiedichte, Wirkungsgrad und elektrische Nennspannung. Bei diesen Werten machen Lithium-Ionen-Akkus immer noch das Rennen. Bisherige Natrium-Ionen-Akkus hingegen sind durch eine geringe Energieabgabe und nur wenige mögliche Ladezyklen geprägt.

Die Kristallstruktur des neu errechneten Natrium-Vanadium-Oxids hingegen soll sich besonders gut als Kathodenmaterial eignen. Denn die wabenförmige Struktur sogenannter Nanotubes, die sich in der Kristallstruktur bilden, ermöglichen eine schnellere Migration der darin enthaltenen Ionen, woraus schnellere Be- und Entladezyklen resultieren. Zwar existieren noch keine Prototypen von Natrium-Ionen-Akkus mit dieser neuen Verbindung, jedoch zeigen sich Wissenschaftler zuversichtlich, was die weitere Entwicklung betrifft. Die elektrochemische Kapazität kann durch Nanopartikelsynthese weiter gesteigert werden. Dadurch ließe sich der Einsatz von wertvollem Lithium reduzieren.

Hohe Nachfrage nach Lithium erfordert Alternative

Das Alkalimetall Lithium existiert größtenteils als Lithiumnitrit oder als Spurenelement. Die Gewinnung erfolgt aus Mineralien oder Erzen, aus denen es mit großem Aufwand und unter der Verwendung anderer Rohstoffe extrahiert wird. Außerdem handelt es sich bei Lithium um eine knappe Ressource mit einem Massenanteil von nur 0,006% des gesamten Erdmantels und der -kruste.  Gerade erst hat sich Deutschland einen wichtigen Zugang zu Lithium unter dem bolivianischen Salzsee gesichert. Eine Partnerschaft, die nicht nur auf Gegenliebe stößt.

 

Doch der Bedarf an Lithium wird in den kommenden Jahren weiter ansteigen, was vor allem das Resultat immer neuer Elektrofahrzeuge ist. Ressourcenknappheit und steigende Preise gehen mit dieser Entwicklung einher. Mit diversen Ansätzen versuchen Forscher dem entgegenzuwirken. Gegenwärtig werden lithiumhaltige Bauteile oder Akkus recycelt und das seltene Element in komplizierten und energieintensiven Verfahren wiederaufbereitet. Deshalb ist es Ziel der Wissenschaft, eine Alternative für die Herstellung leistungsfähiger Akkus zu finden – mit dem Ideal, dass die dann verwendeten Rohstoffe in nahezu unendlicher Menge verfügbar wären.

Natrium ist einer der am häufigsten vorkommenden Stoffe. Es befindet sich mit einem Massenanteil von 2,64% in der Erdhülle. Das entspricht in etwa einem Verhältnis von 1:400, werden Lithium und Natrium in Relation gestellt. Ebenfalls mit den Eigenschaften eines Alkalimetalls gesegnet, bietet Natrium ähnliche Anwendungsgebiete wie Lithium, allerdings bei einer etwas geringeren Energiedichte. Die von den japanischen Forschern entdeckte Verbindung könnte hier Abhilfe schaffen. Hinzu kommt, dass sich reines Natrium wesentlich effizienter, kostengünstiger und umweltfreundlicher herstellen lässt. Die Gewinnung von Lithium hingegen ist wesentlich aufwendiger und ökologisch belastender. Sie verunreinigt nicht nur die umliegende Umwelt, sondern senkt zudem in einigen Abbaugebieten den Grundwasserspiegel erheblich, da es zur Förderung verwendet wird.

 

Mehr zu Rohstoffen und Akkus:

Verschärfen Elektroautos den Kampf um Rohstoffe? Wir haben den Experten für nachhaltige Ressourcenwirtschaft, Matthias Buchert vom Öko-Institut, gefragt.

Wird die Glasbatterie der Lithium-Ionen-Batterie den Rang ablaufen? Wir haben den Batterieexperten Egbert Figgemeier vom Helmholtz-Institut „Ionics in Energy Storage“ gefragt.

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