Doping für Natrium-Ionen-Akkus? So möchten Forschende die Kapazität steigern
Forschende untersuchen die Optimierung von Natrium-Ionen-Akkus. Sie dotieren gezielt Kathodenmaterialien mit Scandium und Magnesium und analysieren sie detailliert mittels Röntgentechniken.
Die linke Abbildung zeigt die positive Elektrode oder Kathode, bestehend aus geschichteten Übergangsmetalloxiden, welche eine Wirtsstruktur für Natrium-Ionen aufweisen. Nickel in der Struktur kann durch entweder Magnesium- oder Scandium-Ionen ersetzt werden.
Foto: HZB
Natrium-Ionen-Akkus weisen noch diverse Schwachstellen auf, welche möglicherweise durch die Optimierung der Batteriematerialien behoben werden könnten. Eine potenzielle Lösung besteht darin, das Kathodenmaterial durch Dotierung mit Fremdelementen zu verbessern. Ein Forscherteam des HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin hat kürzlich die Auswirkungen der Dotierung mit Scandium und Magnesium untersucht. Um dies zu verstehen, sammelten und analysierten die Wissenschaftler Messdaten an den Röntgenquellen BESSY II, PETRA III und SOLARIS. Dabei entdeckten sie zwei konkurrierende Mechanismen, die über die Stabilität der Kathoden entscheiden.
Lithium-Ionen-Akkus (LIB) sind für ihre herausragende Energiedichte pro Kilogramm bekannt, aber die Verfügbarkeit von Lithium-Ressourcen ist begrenzt. Zusätzlich zu ihrer Begrenztheit sind Lithium-Ressourcen auch ungleichmäßig auf der Erde verteilt, was potenziell zu geopolitischen Spannungen führen kann. Die Gewinnung von Lithium kann auch Umweltauswirkungen haben, insbesondere wenn sie durch energieintensive Verfahren wie die Lithiumgewinnung aus Salzseen erfolgt. Daher ist die Erforschung und Entwicklung von alternativen Batterietechnologien und die Förderung von Recyclingverfahren für Lithium-Ionen-Akkus von zunehmender Bedeutung, um die Abhängigkeit von begrenzten Ressourcen zu verringern und die Umweltbelastung zu minimieren.
Im Gegensatz dazu ist Natrium in nahezu unbegrenzter Menge verfügbar und bietet als zweitbeste Option in Bezug auf Energiedichte eine attraktive Alternative. Natrium-Ionen-Akkus könnten daher eine vielversprechende Option darstellen, insbesondere in Situationen, in denen das Gewicht der Akkus weniger entscheidend ist, wie etwa bei stationären Energiespeichern.
Zielgerichtetes Materialdesign zur Steigerung der Kapazität und Stabilität von Natrium-Ionen-Akkus
Experten sind überzeugt, dass durch gezieltes Materialdesign der Kathoden die Kapazität dieser Akkus signifikant gesteigert werden könnte. Besonders vielversprechend sind Kathodenmaterialien aus geschichteten Übergangsmetalloxiden mit den Elementen Nickel und Mangan (NMO-Kathoden). Diese bilden Wirtsstrukturen, in denen die Natrium-Ionen während der Entladung gespeichert und beim Laden wieder freigesetzt werden. Allerdings besteht das Risiko chemischer Reaktionen, die zunächst die Kapazität verbessern, aber dann lokale Strukturveränderungen auslösen und somit das Kathodenmaterial degradieren können. Dies führt zu einer Verringerung der Lebensdauer der Natrium-Ionen-Akkus.
Dr. Katherine Mazzio, die in der gemeinsamen Forschungsgruppe Operando-Batterie-Analyse am HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin unter der Leitung von Prof. Philipp Adelhelm arbeitet, sagt, dass sie eine hohe Kapazität bei hoher Stabilität benötigen.
Der Doktorand Yongchun Li hat nun die Auswirkungen der Dotierung von NMO-Kathoden mit fremden Elementen untersucht. Für das Dotieren wählten sie Elemente aus, die ähnliche Ionenradien wie Nickel (Ni2+) aufweisen, aber einen unterschiedlichen Valenzzustand besitzen: Magnesium (Mg2+)-Ionen oder Scandium-Ionen (Sc3+).
Experimente an drei verschiedenen Röntgenquellen
Um die Auswirkungen der beiden Elemente zu untersuchen, führten sie Experimente an drei verschiedenen Röntgenquellen durch. An BESSY II analysierten sie die Proben mittels resonanter inelastischer Röntgenstreuung (RIXS) und Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) im weichen und harten Röntgenbereich. An PETRA III bewerteten sie Strukturveränderungen mittels Röntgenbeugung (XRD) und führten weitere Analysen mit harter Röntgenstrahlung durch. Für detailliertere Einblicke in das Element Magnesium führten sie Untersuchungen an der PIRX-Beamline bei SOLARIS durch.
Trotz der Tatsache, dass die Dotierung mit Scandium im Vergleich zur Dotierung mit Magnesium zu geringeren Strukturveränderungen während des elektrochemischen Zyklus führt, führt sie nicht zu einer Verbesserung der Stabilität. „Bisher dachte man, dass die Unterdrückung von Phasenübergängen (und damit von Volumenänderungen) auch die Leistungsfähigkeit des Kathodenmaterials über viele Zyklen hinweg verbessern würde. Aber das ist nicht genug“, erklärt Mazzio in einer Pressemitteilung.
Die Unterdrückung der Sauerstoff-Redoxreaktion in NMO durch die Dotierung mit Magnesium wurde ebenfalls stärker als erwartet. Dies war überraschend, da Magnesium dafür bekannt ist, eine Sauerstoff-Redox-Reaktion in geschichteten Manganoxiden auszulösen. Mazzio erklärt: „Wir haben verschiedene Mg/Ni-Verhältnisse in NMO analysiert und festgestellt, dass die Sauerstoff-Redoxreaktion bei einem Verhältnis nahe 1 ein Minimum erreicht“. Die Forscherin sagte, dass nur durch die Kombination verschiedener Röntgentechniken gezeigt werden konnte, dass nicht nur die Unterdrückung von Phasenübergängen wichtig ist, um die langfristige Zyklenstabilität zu gewährleisten, sondern auch das Zusammenspiel zwischen der Redoxaktivität von Nickel und Sauerstoff die Leistung bestimmt.
Ein Beitrag von:
