Salzbatterie, die in 5 Sekunden
- h2worlddaa
- 4. Sept. 2024
- 4 Min. Lesezeit
Zum ersten Mal wurden Prototypen von Natriumionenbatterien entwickelt, deren Leistung sie im Vergleich zu herkömmlichen Lithiumbatterien konkurrenzfähig macht und die darüber hinaus kurze Ladezeiten ermöglichen. Es wurde von einem Forscherteam der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik des KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) unter der Leitung von Jeung Ku Kang erstellt, das dieses Ergebnis mithilfe einer bestimmten Materialkombination für die beiden Elektroden der Batterie erzielte . Dies ist ein bemerkenswerter Fortschritt im relativ jungen Bereich der Natriumbatterien, die sich zunehmend als nachhaltigere, wirtschaftlichere und sicherere Alternative zu herkömmlichen Lithiumbatterien erweisen, die als kritischer Rohstoff gelten, insbesondere in Schlüsselsektoren wie Fahrzeugen, Elektrofahrzeugen und deren Batterien setzen derzeit überwiegend auf Lithium.
Wie die koreanische Natriumbatterie hergestellt wird und wie sie sich in Sekundenschnelle auflädt
Wie normale Batterien funktionieren Natriumbatterien durch Oxidations-Reduktions-Reaktionen, die Ionen erzeugen, die von der positiven zur negativen Elektrode (Anode bzw. Kathode) ausgetauscht werden und so eine Potentialdifferenz erzeugen, die einen elektrischen Strom in einem Stromkreis antreiben kann. Wie Sie sich vorstellen können, produzieren Lithiumbatterien Lithiumionen (Li+), während Natriumbatterien Natriumionen (Na+) produzieren.
Wie wir später sehen werden, liegen die Haupteinschränkungen von Natriumbatterien derzeit in der geringen Leistungsdichte (d. h. wie viel Energie 1 kg Reagenzien liefern kann) und langen Ladezeiten. Die „Lücke“, die KAIST zur Lösung dieses Problems genutzt hat , ist sehr einfach, aber gleichzeitig effektiv. Derzeit gibt es zwei Hauptanwendungen der Natriumtechnologie: Natriumbatterien und Natriumkondensatoren. Letztere liefern wie alle Kondensatoren viel Strom und können daher sehr schnell wieder aufgeladen werden, haben jedoch im Vergleich zu einer Batterie eine sehr geringe Energiedichte (wie viel Energie kann 1 kg Reagenzien liefern) und daher eine geringe Autonomie. Die Idee ist daher, einen „Hybrid“ aus einer Batterieelektrode und einem Kondensator zu schaffen, um das Beste aus beiden Welten zu haben.
Die in den letzten Jahren unternommenen Versuche hatten ein großes Problem: Die beiden Elektroden speichern Energie in sehr unterschiedlichem Tempo. Nach dem Prinzip „Am langsamsten fahren“ fungiert die Elektrode mit der geringsten Kinetik als Flaschenhals. Wie Sie sich vorstellen können, stellt dieses Ungleichgewicht eine gravierende Einschränkung dar, die den direkten Wettbewerb mit kommerziellen Lithiumbatterien verhindert. Um dieses Problem zu lösen, testeten KAIST-Forscher eine Anode mit „Batterie“-Materialien, aber mit verbesserter Reaktivität dank aktiver Materialien, die in eine poröse Kohlenstoffstruktur eingearbeitet sind: Dadurch wird der „Engpass“-Effekt zwischen den beiden Elektroden vermieden und so die Ladezeiten drastisch verkürzt. Die Kathode hingegen verwendet für Superkondensatoren typische Materialien und sorgt so für eine hohe Leistungsdichte.
Ergebnis: Die KAIST-Natriumbatterie-Prototypen erreichten eine maximale Energiedichte von 247 Wh/kg (vergleichbar mit der einer kommerziellen Lithiumbatterie) bei einer Leistungsdichte von 34,75 W/kg (höher als andere Natriumbatterien) und einer Stabilität von 100 % ( d.h. kein Kapazitätsverlust) nach 5000 Lade- und Entladezyklen. Bei den Versionen mit höherer Leistungsdichte lag die Mindestladezeit bei etwa 5 Sekunden (die Versionen mit höherer Energiedichte, d. h. größerer Autonomie, haben jedoch längere Ladezeiten in der Größenordnung von „Jetzt“). Die folgende Grafik zeigt, dass der Prototyp im Vergleich zu anderen „hybriden“ Natriumbatterien insgesamt einen erheblichen Fortschritt darstellt. Geht dieser Weg weiter, könnte er in Zukunft auch auf Elektrofahrzeuge übertragen werden, wobei in diesen Fällen immer die Bedingung ein Muss ist.
Die rote Linie zeigt die Leistung verschiedener Versionen der KAIST-Natriumbatterie in Bezug auf Energiedichte und Leistungsdichte im Vergleich zu anderen „hybriden“ Natriumbatterien (hellblau), nicht-hybriden Natriumbatterien (lila) und Natrium-Superkondensatorbatterien ( Grün). Quelle: KAIST
Natriumbatterien vs. Lithium: die Vor- und Nachteile
Um die Unterschiede zwischen den beiden Batterietypen zu verstehen, können wir einen Blick auf das Periodensystem der Elemente werfen. Hier sehen wir, dass Lithium und Natrium chemisch verwandt sind: Sie gehören beide zur ersten Gruppe (d. h. zur ersten Spalte des Periodensystems) in der zweiten bzw. dritten Reihe. Das bedeutet, dass sie die gleiche äußere elektronische Konfiguration haben: Insbesondere haben sie nur ein Elektron im äußersten s-Orbital. Tatsächlich sind die chemischen Eigenschaften von Lithium und Natrium sehr ähnlich: Sie neigen dazu, dieses eine Elektron sehr leicht zu verlieren.
Das Periodensystem der Elemente. Lithium ist das erste Element der zweiten Periode (zweite Reihe) und Natrium ist das erste Element der dritten Periode (dritte Reihe).
Es gibt jedoch Unterschiede, die aus Sicht der technologischen Entwicklung wichtige praktische Auswirkungen haben. Im Vergleich zu Lithium kommt Natrium in der Natur mindestens 500-mal häufiger vor, ist kostengünstiger und lässt sich besser recyceln. Aus diesem Grund wurde es als Alternative zu Lithium gewählt: Es hat ein ähnliches elektrochemisches Verhalten, ermöglicht aber die Herstellung billigerer, umweltfreundlicherer und auch sichererer Batterien, da sie stabiler und daher weniger anfällig für die Entstehung von Bränden sind.
Allerdings haben Natriumbatterien im Vergleich zu Lithiumbatterien auch Nachteile. Aus dem Periodensystem geht wiederum hervor, dass Natrium schwerer ist als Lithium, dessen Ion jedoch die gleiche elektrische Nettoladung trägt. Das bedeutet, dass Natriumbatterien eine geringere Energiedichte haben, d. h. sie transportieren bei gleicher Masse weniger Energie, was sich in einer kürzeren Autonomie niederschlägt. Um eine Vorstellung zu geben: Die typische Energiedichte einer Natriumbatterie kann 160 Wh/kg betragen, während die einer kommerziellen Lithiumbatterie bei etwa 250 Wh/kh liegt. Darüber hinaus neigen die Elektroden dazu, weniger reaktiv zu sein, was längere Ladezeiten bedeutet.
Warum die KAIST- Natriumbatterie eine große Neuigkeit ist
Aus diesen Gründen werden Natriumbatterien dort eingesetzt, wo hohe Leistung und schnelles Laden nicht erforderlich sind, wie etwa bei Fahrrädern mit Tretunterstützung, aber in Schlüsselbereichen wie der Elektromobilität, in denen Lithium vorerst noch unverzichtbar ist, finden sie nur schwer Anwendung mit schwerwiegenden ökologischen und geopolitischen Folgen. Unter diesem Gesichtspunkt besteht das Ziel darin, die Natriumtechnologie so weit voranzutreiben, dass sie wettbewerbsfähig wird, um eine vorteilhafte Alternative zu haben und die „Lithiumabhängigkeit“ westlicher Länder und Entwicklungsländer zu verringern. Es wird jedoch eine Batterie mit hoher Kapazität, hoher Energiedichte, hoher Leistungsdichte und schneller Kinematik benötigt, und unter diesem Gesichtspunkt ist der von KAIST erstellte Prototyp aus ökologischer, wirtschaftlicher und auch geopolitischer Sicht sehr vielversprechend.
Schnelllade-Starterbatterien sind bereits verfügbar
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