Post-Lithium: Neue Hochleistungskathode für Natrium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit das Maß der Dinge, doch die Forschung sucht bereits nach Alternativen. Ein US-chinesischen Wissenschaftsteam hat nun Fortschritte bei der Entwicklung von Hochleistungskathoden aus organischen Polymeren gemacht, die als preiswerte und umweltfreundliche Alternativen die Post-Lithium-Ära einläuten sollen.

Chunsheng Wang und sein Team von der University of Maryland (USA) sowie ein internationales Team von Wissenschaftlern haben eine organische Polymerkathode entwickelt, die sich sich nicht auflöst, gleichzeitig aber mit einer hohen Kapazität bei schneller Entladung und Ladung aufwartet, wie sie in einem Bericht der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ schreiben. Für das Natrium-Ion zeigte sie eine deutlich bessere kurz- und langfristige Kapazität als andere Kathoden aus polymeren oder anorganischen Materialien. Ebenfalls hervorragende Ergebnisse erreichten die Forscher der Studie zufolge für das Magnesium- und Aluminium-Ion.

Als Kathodenmaterial mit hoher Energiedichte und guter Einlagerungsbereitschaft sei die organische Verbindung Hexaazatrinaphthalin (HATN) von den Wissenschaftlern identifiziert sowie in Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren bereits getestet worden. Dabei hätten sich die meisten organischen Materialien im Elektrolyten aufgelöst. Um das Material zu stabilisieren hätten die Forscher einzelne Moleküle mit Bindungsbrücken verknüpft, hieß es weiter. Daraus sei ein organisches Polymer namens polymeres HATN oder PHATN entstanden. Die Kapazität für das Natrium-, Aluminium- und das Magnesium-Ion war ausgezeichnet, wie es weiter hieß. Pyrazin ist die Grundsubstanz von HATN: Nach Aussage der Forscher handelt es sich dabei um eine aromatische benzolähnliche, aber stickstoffreiche organische Substanz mit fruchtigem Duft.

Die Hochleistungskathoden seien schließlich in Metall-Ionen-Batterien mit einem hochkonzentrierten Elektrolyten getestet worden. Die Natrium-Ionen-Batterie konnte dem Bericht der Forscher zufolge bei einer Spannung von 3,5 Volt betrieben werden. Nach 50.000 Lade-Entlade-Zyklen habe sie dabei immer noch eine Kapazität von mehr als 100 Milliamperestunden pro Gramm aufgewiesen. Die Ergebnisse für die Magnesium-Ionen- und die Aluminium-Ionen-Batterie seien kaum schlechter gewesen, schreiben die Forscher weiter. Ihr Fazit: Diese weiterentwickelten Pyrazin-Polymerkathoden könnten in umweltfreundlichen, langlebigen, wiederaufladbaren Hochleistungsbatterien der nächsten Generation eingesetzt werden.