Forscher aus Singapur verlängern Festkörper-Natriumakku, doch das E-Auto muss warten

Die Lösung zielt auf zwei alte Schwächen von Natrium-Batterien

Natrium ist in der Batterieforschung kein Neuling, doch Varianten mit festem Elektrolyten kämpfen seit Jahren mit zwei hartnäckigen Problemen. Natrium-Ionen wandern zu langsam durch das Polymer, zugleich kann die Natrium-Metall-Anode beim Laden Dendriten bilden. Diese nadelartigen Strukturen können die Zelle durchstoßen und einen Kurzschluss auslösen.

Ein Team des College of Design and Engineering der National University of Singapore hat seine Arbeit in Advanced Functional Materials veröffentlicht. Die Forscher mischten graphitisches Kohlenstoffnitrid, kurz GCN, in einen Elektrolyten auf Basis von Polyethylenoxid und einem Natriumsalz. Das Material entsteht, indem Harnstoff an Luft auf 550 °C erhitzt wird. Dabei bilden sich etwa 2 nm dünne Schichten.

Im Elektrolyten erfüllt GCN zwei Aufgaben gleichzeitig. Erstens stört es die starren kristallinen Bereiche des Polymers und schafft mehr amorphe Zonen, in denen sich Natrium-Ionen freier bewegen können. Zweitens helfen stickstoffreiche Oberflächenstellen, Natrium-Ionen von den Gegenionen des Salzes zu trennen. Dadurch steigt die Natrium-Ionen-Überführungszahl von 0,19 auf 0,51. Die Ionenleitfähigkeit bei 55 °C hat sich mehr als verdoppelt.

Entscheidend ist vor allem die Dendriten-Bremse

Eine Natrium-Metall-Anode bietet theoretisch eine hohe Energiedichte, doch beim Laden lagert sich das Metall ungleichmäßig ab. Genau dort beginnen Dendriten zu wachsen und gefährden die Zelle von innen.

Der GCN-Verbundelektrolyt erwies sich als dreimal fester als das ursprüngliche Polymer. Wichtiger noch: Er unterstützte die Bildung einer schützenden anorganischen Schicht auf Natriumbasis an der Anodenoberfläche und führte so zu einer gleichmäßigeren Metallabscheidung. In einem Vergleichstest verursachte der unveränderte Polymer-Elektrolyt nach 250 Stunden bei einer Stromdichte von 0,1 mA pro cm² einen Kurzschluss. Der GCN-Elektrolyt hielt bei gleicher Belastung 1000 Stunden durch, bei 0,2 mA pro cm² sogar mehr als 2000 Stunden.

Bei derselben Stromdichte zeigte der Test damit ungefähr eine Vervierfachung der Lebensdauer. Unter höherer Last überschritt der Aufbau 2000 Stunden. Das ist relevant, weil die Dendritenfestigkeit mehr über die praktische Sicherheit einer Festkörper-Metallbatterie aussagt als jede einzelne plakative Leistungszahl.

Auch die komplette Zelle zeigte eine solide Zyklenfestigkeit

Die Forscher bauten zudem eine vollständige Festelektrolyt-Zelle mit einer kohlenstoffbeschichteten, zinkdotierten Natrium-Vanadium-Phosphat-Kathode und einer Natrium-Metall-Anode. Bei einer Lade- und Entladerate von 0,5C behielt die Zelle nach 500 Zyklen 95 Prozent ihrer Kapazität. Der Coulomb-Wirkungsgrad lag bei etwa 99,97 Prozent. Vereinfacht gesagt bedeutet 1C, dass eine Batterie in rund einer Stunde geladen wird, 2C entspricht etwa einer halben Stunde.

Um die mechanische Sicherheit zu demonstrieren, fertigte das Team außerdem eine einlagige Pouch-Zelle, die eine LED versorgte, während sie gefaltet, wieder entfaltet und angeschnitten wurde. Das beweist noch keine Serienreife für ein Batteriepaket im Elektroauto. Es zeigt aber, warum feste Elektrolyte gegenüber Zellen mit flüssigem Elektrolyten einen Sicherheitsvorteil bieten können.

Ein CATL-Rivale fürs Elektroauto ist das noch nicht

Für die Autoindustrie muss sich dieses Ergebnis an dem messen lassen, was bereits Richtung Produktion läuft, nicht an einem Laborideal. CATLs Natrium-Ionen-Batterie Naxtra steuert mit Changan auf den Serieneinsatz zu. CATL gibt die Energiedichte der Zelle mit bis zu 175 Wh pro kg an. In einer Cell-to-Pack-Architektur könnte das mehr als 400 km Reichweite ermöglichen, mit einem späteren Ziel von 500 bis 600 km. Eine Festelektrolyt-Batterie mit Natrium-Metall-Anode ist sie allerdings nicht.

Die Arbeit aus Singapur verfolgt einen anderen Ansatz. Ihre Stärke liegt zumindest derzeit nicht in maximaler Reichweite, sondern in Sicherheit, günstigeren Rohstoffen und der Chance, die Abhängigkeit von Lithium zu verringern. Die wichtigste Einschränkung bleibt die Betriebstemperatur. Das stärkste Ergebnis gelang bei 55 °C, als nächstes Ziel gilt ein stabiler Betrieb bei 45 °C. Eine Batterie für europäische Elektroautos muss jedoch in einem deutlich breiteren Klimafenster funktionieren, nicht nur unter warmen Laborbedingungen.

Europa dürfte den Effekt zuerst bei Speichern spüren, nicht bei Performance-Elektroautos

Günstige und sichere Batterien mit geringerem Rohstoffrisiko braucht Europa am dringendsten bei Netzspeichern und Speichern für Solarparks. Dort zählt die Energie pro Kilogramm weniger als Preis, Brandsicherheit, Zyklenfestigkeit und Wartungskosten. Genau in dieser Nische könnte eine Natrium-Batterie mit festem Elektrolyten beginnen, LFP-Batterien unter Druck zu setzen.

In Elektroautos dürfte Natrium-Chemie zuerst in günstigeren Stadtwagen, Nutzfahrzeugen und Modellen für kältere Klimazonen auftauchen, wo Preis und Temperaturtoleranz die geringere Energiedichte aufwiegen können. Premium-Elektroautos und Langstreckenmodelle bleiben in den nächsten Jahren das Revier energiereicher Lithium-Chemien.

Der technische Kern im Überblick

Elektrolyt: fester Polymer-Elektrolyt auf Basis von Polyethylenoxid und Natriumsalz, ergänzt um 2 nm dünne GCN-Schichten.

Ionentransport: Die Ionenleitfähigkeit bei 55 °C hat sich mehr als verdoppelt. Die Natrium-Ionen-Überführungszahl stieg von 0,19 auf 0,51.

Dendritenfestigkeit: Der Verbundelektrolyt hielt 1000 Stunden bei 0,1 mA pro cm² und mehr als 2000 Stunden bei 0,2 mA pro cm² durch.

Komplette Zelle: Nach 500 Zyklen bei 0,5C blieben 95 Prozent Kapazität erhalten, bei einem Coulomb-Wirkungsgrad von etwa 99,97 Prozent.

Wichtigste Einschränkung: Die Technik braucht niedrigere Betriebstemperaturen und Prototypen in größerem Format.

Der Durchbruch ist real. Genauso real bleibt aber der Abstand zwischen einer cleveren Laborzelle und einem Batteriepaket, das Jahre voller Ladevorgänge, Frost, Hitze und ungeduldiger Fahrer übersteht.