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Neuer Batterietyp entwickelt

03.12.2012
Natrium-Sauerstoff-Zellen mit überraschenden Eigenschaften – Erfolgreiche Grundlagenforschung an Metall-Luft-Batterien

Die Erforschung von neuen und verbesserten elektrochemischen Speichern für elektrische Energie gehört heute zu den dringenden Aufgaben im Rahmen der Energiewende. Sowohl für mobile als auch für stationäre Anwendungen werden Batterien mit spezifischen Eigenschaftsprofilen benötigt.


REM-Aufnahme der während der Zellentladung entstehenden, würfelförmigen NaO2-Partikel. - Bild: Pascal Hartmann

Die Suche nach grundsätzlich neuen Zellkonzepten für besonders speicherfähige Batterien ist hier neben der konsequenten Weiterentwicklung bestehender Konzepte ein Schwerpunkt internationaler Forschungsanstrengungen.

Die Physikochemiker Pascal Hartmann, Conrad L. Bender, Dr. Philipp Adelhelm und Prof. Dr. Jürgen Janek berichten nun gemeinsam mit Kollegen aus dem BELLA-Labor am Institut für Nanotechnologie des KIT in Karlsruhe und der BASF SE in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Materials“ erstmals über eine reversibel arbeitende elektrochemische Zelle auf der Basis von Natriummetall, Sauerstoff und dem Reaktionsprodukt Natriumsuperoxid. Natrium ist ebenso wie Lithium ein reaktives Alkalimetall, das eine Komponente von besonders leistungsfähigen elektrochemischen Energiespeichern sein kann.

Während jedoch heute lithiumbasierte Batterien in großem Umfang zum Einsatz kommen und auch intensiv für den Einsatz in größeren Energiespeichern untersucht werden, spielt Natrium bisher für elektrochemische Speicheranwendungen bei Raumtemperatur keine Rolle. Wesentlicher Grund dafür ist, dass die Elektrochemie des Natriums insgesamt wesentlich weniger gut untersucht ist. Bereits seit rund drei Jahren wird daher am Physikalisch-Chemischen Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) auf diesem Arbeitsgebiet geforscht. Die nun von den Gießener Forschern erzielten Ergebnisse stellen für die Elektrochemie des Natriums einen unerwarteten Kenntnissprung dar, der die Forschung auf natriumbasierten Batterien weiter beleben wird.

Die Entwicklung der vorgestellten Natrium-Sauerstoff-Zelle ist aber auch aus einer anderen Perspektive ein wichtiger Schritt: Wieder aufladbare arbeitende Metall-Luft-Batterien mit hoher Speicherkapazität für den Betrieb bei Raumtemperatur stellen bis heute eine der größten elektrochemischen Herausforderungen dar. Als besonders attraktiv gelten Lithium-Luft-Batterien wegen ihrer besonders großen theoretischen Speicherkapazität. Bis heute gibt es allerdings eine Reihe von grundsätzlichen Problemen, die es zu überwinden gilt – unter anderem eine bisher unzureichende Wiederaufladbarkeit und zahlreiche Nebenreaktionen, die eine mangelhafte Stabilität verursachen. Vor diesem Hintergrund sind die Ergebnisse der Gießener Chemiker an Natriummetall-Sauerstoff-Zellen hochinteressant: Hier gelingen Entladung und Ladung erheblich effizienter, was auch der Entwicklung von Metall-Luft-Batterien insgesamt neue Impulse geben wird.

Die Ergebnisse der Gießener Forschergruppe wurden im Rahmen des internationalen Forschungsnetzwerks für Elektrochemie und Batterien der BASF SE in Ludwigshafen erzielt. Gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der BASF SE in Ludwigshafen arbeiten in diesem Netzwerk Forschungsteams in Deutschland, Israel, Kanada, der Schweiz und den USA an Materialien und Zellkonzepten für neue Batteriegenerationen. Der Gießener Doktorand Pascal Hartmann, Erstautor der Publikation, wird darüber hinaus vom Fonds der chemischen Industrie gefördert.

Publikation
A rechargeable room-temperature sodium superoxide (NaO2) battery
Pascal Hartmann, Conrad L. Bender, Milos Vraèar, Anna Katharina Dürr, Arnd Garsuch, Jürgen Janek und Philipp Adelhelm
Nature Materials, DOI: 10.1038/nmat3486

Kontakt
Dr. Philipp Adelhelm, Prof. Dr. Jürgen Janek
Physikalisch-Chemisches Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen
Heinrich-Buff-Ring 58, 35392 Gießen
Die 1607 gegründete Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) ist eine traditionsreiche Forschungsuniversität, die rund 26.000 Studierende anzieht. Neben einem breiten Lehrangebot – von den klassischen Naturwissenschaften über Rechts- und Wirtschaftswissenschaften, Gesellschafts- und Erziehungswissenschaften bis hin zu Sprach- und Kulturwissen¬schaften – bietet sie ein lebenswissenschaftliches Fächerspektrum, das nicht nur in Hessen einmalig ist: Human- und Veterinärmedizin, Agrar-, Umwelt- und Ernährungswissenschaften sowie Lebensmittelchemie. Unter den großen Persönlichkeiten, die an der JLU geforscht und gelehrt haben, befindet sich eine Reihe von Nobelpreisträgern, unter anderem Wilhelm Conrad Röntgen (Nobelpreis für Physik 1901) und Wangari Maathai (Friedensnobelpreis 2004). Seit 2006 wird die JLU sowohl in der ersten als auch in der zweiten Förderlinie der Exzellenzinitiative gefördert (Excellence Cluster Cardio-Pulmonary System – ECCPS; International Graduate Centre for the Study of Culture – GCSC).

Charlotte Brückner-Ihl | idw
Weitere Informationen:
http://www.nature.com/nmat/index.html
http://www.uni-giessen.de/cms/fbz/fb08/Inst/physchem/janek

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