BAM: Kooperationsprojekt zur Natrium-Ionen-Batterie

Weltweit suchen Wissenschaftler*innen nach Alternativen zu Lithium-Akkus. Die BAM entwickelt dazu in einem Kooperationsprojekt neuartige Kern-Schale-Verbundwerkstoffe, die zu effizienten Akkus mit verbesserter Sicherheit führen sollen.

Dr. Tim-Patrick Fellinger forscht an der BAM zu innovativen und nachhaltigen Batteriematerialien. (Foto: BAM)
Dr. Tim-Patrick Fellinger forscht an der BAM zu innovativen und nachhaltigen Batteriematerialien. (Foto: BAM)
Radosveta Angelova

Das Verbundprojekt ist gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderung „Batterie 2020 Transfer“. Beteiligt daran sind das Helmholtz-Zentrum Berlin und die TU Berlin sowie mehrere Unternehmen, die sich auf Kohlenstoffmaterialien für Batterien spezialisiert haben. Bisher beruhen elektrische Batterien, die E-Autos antreiben, als stationäre Stromspeicher dienen oder für industrielle Anwendungen genutzt werden, fast ausschließlich auf der Lithium-Ionen-Technologie. Doch die Nachteile dieser Technologie sind gravierend: Die globalen Reserven des Alkali-Metalls sind begrenzt, sein Abbau aus Salzwasser ist kostspielig und nicht umweltschonend. Zusätzlich werden die zwei Elektroden Cobalt und Nickel benötigt; zwei Metalle, die ebenso unter problematischen Bedingungen abgebaut werden bzw. giftig sind. Daher suchen Forscher*innen nach einer umweltschonenden Alternative zu Lithium und wenden sich der vielversprechenden Natrium-Ionen-Batterie zu. Als „Drop-in-Technologie“ kann sie zum einen auf die gängige Batterieproduktion übertragen werden, zum anderen werden weder Cobalt noch Nickel benötigt. Vor allem aber ist Natrium als natürlicher Bestandteil von Kochsalz leicht verfügbar.

Als Schwachstelle von Natrium-Ionen-Batterien gilt bislang jedoch das Material des „Pluspols“, vereinfachend auch als Anode bezeichnet. Dieses Material ist der „Tank“ einer elektrischen Batterie, es soll im geladenen Zustand möglichst viele positive Natrium-Ionen speichern können und ist somit entscheidend für die Effizienz des Akkus. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im neuen Batterietestzentrum startet jetzt ein Berliner Kooperationsprojekt, das sich der Suche nach einem geeigneten Anoden-Material widmet, um die Natrium-Ionen-Technologie voranzubringen. Statt Graphit, wie bei den etwas kleineren Lithium-Ionen, werden dazu bei Natrium-Ionen bisher sogenannte Hard Carbons verwendet. In den Poren und Gängen des ungeordneten Kohlenstoffs können sich jedoch nicht nur Natrium-Ionen einlagern, sondern auch Elektrolyt, die Ionen-leitende Flüssigkeit der Batteriezelle. Der­ Elektrolyt führt zu unerwünschten Verlusten der Speicherkapazität und geht somit auf Kosten der Effizienz.

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Tim-Patrick Fellinger, Leiter des Verbundprojekts und an der BAM Experte für Energiematerialien bestätigt:

„Es ist sehr komplex, die ideale Struktur für diese neuartigen Materialien zu finden. Wir wollen dafür maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe entwickeln, die möglichst vielen Natrium-Ionen Platz bieten, Elektrolyte aber fernhalten. Wenn wir mit unserem Konzept erfolgreich sind, würde dies einen großen Innovations-Schub für die Natrium-Ionen-Technologie insgesamt bedeuten. Die Herausforderung ist es, ein Material zu finden, das zugleich sicher und effizient ist.“

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