Alternative Natrium? Batterien ohne kritische Rohstoffe

Wissenschaftler:innen der Humboldt-Universität entwickeln eine neue Zellchemie im Rahmen eines ERC-Projekts

Abbildung: Im vom European Research Council über 5 Jahre geförderten Projekt SEED werden alternative Speichermechanismen für nachhaltigere Batterien untersucht. Dabei werden solvatisierte Ionen in Materialien eingelagert. (© G. A. Ferrero)

Der schnell wachsende Markt für wiederaufladbare Batterien führt derzeit zu einem gesteigerten Interesse an den hierfür notwendigen Rohstoffen. Um mögliche Versorgungslücken bei den bekannten Lithium-Ionen-Batterien auszuschließen, wird weltweit intensiv an alternativen Batteriekonzepten gearbeitet. Als attraktive Alternative gelten Natrium-Ionen-Batterien, also Batterien, bei denen auf kritische Rohstoffe wie Lithium, Kobalt oder auch Nickel verzichtet wird. An der Humboldt-Universität fördert der Europäische Forschungsrat (ERC) durch einen Consolidator Grant über 5 Jahre die Erforschung von Batteriezellen mit einer neuer Zellchemie im Projekt „Solvated Ions in Solid Electrodes“ (SEED).

Der besondere Trick, den sich die Forscher:innen in dem Projekt zunutze machen liegt in einer speziellen Kombination aus Elektrolytlösungsmitteln und Elektrodenmaterialien. „Im Gegensatz zu Lithium-Ionenbatterien, die auf der Speicherung von Lithium-Ionen im Plus- und Minuspol der Batterie basieren, arbeiten wir zum einen mit Natrium-Ionen, wie sie auch in günstigem Kochsalz vorkommen. Zum anderen speichern wir die Natrium-Ionen gemeinsam mit ihrer Solvathülle, also Lösungsmittelmolekülen aus der Elektrolytlösung, die beide Pole voneinander trennt. So lassen sich ganz neue Speicherreaktionen realisieren“, erklärt Prof. Philipp Adelhelm, Projektleiter und Professor am Institut für Chemie der Humboldt-Universität.

Bisher war das Konzept auf den Minuspol der Natrium-Ionen-Batterie beschränkt. Nun ist es den Forscher:innen um Adelhelm gelungen, das Konzept auf den Pluspol der Batterie zur erweitern. Ihre Ergebnisse haben die Forscher:innen nun im Journal Advanced Energy Materials publiziert. Dr. Guillermo A. Ferrero, Erstautor der Publikation, erklärt: „Mit Titandisulfid und Graphit haben wir zum ersten Mal zwei Materialien kombiniert, die während des Ladens und Entladens der Batterie das gleiche Lösungsmittel aufnehmen beziehungsweise abgeben.“ Die Forscher:innen erhoffen sich durch das neue Zellkonzept, Strom besonders effizient speichern zu können und neue Elektrodenreaktionen zu entdecken.
Die Entdeckung ist auch ein Ergebnis der erfolgreich ins Leben gerufenen Forschungsgruppe „operando battery analysis“, die in 2020 gemeinsam von der Humboldt-Universität und dem Helmholtz-Zentrum Berlin gegründet wurde.

Publikation
Co-intercalation batteries (CoIBs): Role of TiS₂ as electrode for storing solvated Na ions
Guillermo A. Ferrero, Gustav Åvall, Katherine A. Mazzio, Youhyun Son, Knut Janßen, Sebastian Risse, and Philipp Adelhelm
Advanced Energy Materials, 2022, early view, doi: 10.1002/aenm.202202377.
 

Funding
ERC Consolidator Grant „Solvated Ions in Solid Electrodes: Alternative routes toward rechargeable batteries based on abun-dant elements“ (Grant number 864698)
 

Kontakt

Prof. Philipp Adelhelm
Institut für Chemie der Humboldt-Universität zu Berlin
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
+49 30 2093 82612
philipp.adelhelm(at)hu-berlin.de

Pressemitteilung der Humboldt-Universität zu Berlin vom 24.10.2022