Universität Bayreuth, Pressemitteilung Nr. 003/2024, 12.01.2024

Bayreuther Forscher arbeiten an erschwinglichem Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien

Dr. Qingsong Wang von der Universität Bayreuth treibt die Forschung an Natrium-Ionen-Batterien als kostengünstige, nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen voran. Er entwickelte in einem internationalen Forscherteam eine Batterie mit langer Lebensdauer und hoher Energie. Die Ergebnisse wurden nun in Nature Energy veröffentlicht.

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Lithium-Ionen-Batterien sind die erfolgreichste Energiespeichertechnologie der letzten Jahrzehnte. Die Rohstoffe für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien sind allerdings begrenzt und in bestimmten Ländern und Regionen ungleichmäßig verteilt. Um die Lithium-Quellen weltweit zu entlasten und einen geopolitisch und strategisch unabhängigen Rohstoff zu nutzen, setzt die Wissenschaft große Hoffnungen auf Natrium-Ionen-Batterien. Natrium kommt in der Erdkruste 1.000-mal häufiger vor als Lithium. Natrium und Lithium gehören zur gleichen Gruppe der Alkalimetalle im Periodensystem. Das bedeutet, dass sie ähnliche chemische und leistungsbezogene Eigenschaften haben. Die ausgereifte Infrastruktur der Lithium-Ionen-Batterietechnologie kann zudem schnell für die Produktion von Natrium-Ionen-Batterien genutzt werden.

Der ständig wachsende Bedarf an Energiespeichern treibt die Forschung und Entwicklung in der Batterietechnologie voran. Die Natrium-Ionen-Batterie ist ein zuverlässiger und erschwinglicher Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien. Die leichte Zugänglichkeit und Verfügbarkeit von Natrium macht Natrium-Ionen-Batterien attraktiver und wettbewerbsfähiger. Durch die Verwendung von Elementen, die in der Erde reichlich vorhanden sind, und die Anpassung des Phasenwachstums der geschichteten Oxidkathode wurde nun unter Mitwirkung von Dr. Qingsong Wang, Nachwuchsgruppenleiter am Lehrstuhl für Anorganische Aktivmaterialen für elektrochemische Energiespeicher, eine Natrium-Ionen-Batterie mit langen Zyklen und hoher Energie entwickelt, die mit 165 Wh/Kg validiert wurde. „Unser Ergebnis zeigt, dass Natrium-Ionen-Batterien auf industrieller Ebene sogar kostengünstiger und nachhaltiger sind als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, die auf der Grundlage der Eisenphosphatchemie herzustellen sind“, sagt Wang.

In der Studie, die nun in Nature Energy von einem Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universitäten Bayreuth (Deutschland), Xiamen (China), Shenzhen (China), dem Argon National Laboratory (USA), sowie dem Physik-Institut der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking (China) veröffentlicht wurde, wird gezeigt, dass durch die Kontrolle der Ladungstiefe die Zwischenwachstumsstruktur angepasst werden kann. Dadurch kann ein Prismatic-type-Stapelzustand gleichmäßig zwischen den Octahedral-type -Stapelzuständen eingefügt werden. Das hilft, benachbarte Octahedral-type-Stapelfehler zu vermeiden.

Octahedral-type und prismatic-type beziehen sich auf die geometrische Anordnung von Atomen oder Ionen in einem Kristallgitter. Octahedral-type (oktaedrisch) bedeutet, dass die Atome oder Ionen in einem Kristall in einer Anordnung angeordnet sind, die einem Oktaeder ähnelt. Prismatic-type (prismatisch) bezieht sich auf eine Anordnung, die einem Prismen ähnelt.

„Unsere Forschung dient dazu, die anionische Sauerstoff-Redoxreaktion als Energieverstärker des Schichtoxids für die Natrium-Ionen-Kathode zu analysieren“, sagt Wang. „Es ist wichtig, eine Strategie zu entwickeln, die diese Reaktion reversibel und stabil macht. Auf lange Sicht können die Ergebnisse unserer Forschung die Mittelklasse-Elektrofahrzeuge erschwinglicher machen, da dann die Batterien für diese günstiger und langlebiger produziert werden können.“

Veröffentlichung:

Wang, X., Zhang, Q., Zhao, C. et al. Achieving a high-performance sodium-ion pouch cell by regulating intergrowth structures in a layered oxide cathode with anionic redox. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01425-2

Qingsong Wang

Dr. Qingsong Wang

Nachwuchsgruppenleiter am Lehrstuhl Anorganische Aktivmaterialien für elektrochemische Energiespeicher

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E-Mail:  qingsong.wang@uni-bayreuth.de

Jennifer Opel

Jennifer OpelStellv. Pressesprecherin

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