Bedeutende Fortschritte in der Technologieforschung für Natrium-Ionen-Batterietechnik

Die Natrium-Ionen-Batterie stellt eine neuartige Form der Energiespeichertechnologie dar und löst die Lithium-Ionen-Batterie ab. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien nutzen Natrium-Ionen-Batterien die reichlich vorhandenen Natriumressourcen auf der Erde, insbesondere das aus Meerwasser gewonnene Salz, und verwenden wasserlösliche Elektrolyte. Dieses Design bietet den Vorteil, reichhaltige Rohstoffquellen zu erschließen und den Bedarf an hochreinen Fertigungsumgebungen zu eliminieren. Infolgedessen wird erwartet, dass die nächste Generation von Energiespeicherbatterien zu geringeren Kosten hergestellt wird.

Aufgrund des größeren Ionenradius von Natriumionen stehen Natriumionenbatterien häufig vor Herausforderungen wie geringer Kapazität und unzureichender Zyklenleistung. Auf internationaler Ebene haben zahlreiche Wissenschaftler umfangreiche Grundlagenforschung zu Natriumionen-Elektrodenmaterialien durchgeführt und dabei bemerkenswerte Fortschritte erzielt. Mit Unterstützung der National Natural Science Foundation of China (21336003 und 21073120) und des National 973 Program (2014CB239700) wendete die Forschungsgruppe von Professor Ma Zifeng an der Shanghai Jiao Tong University Graphenoxid an, um Na2/3[Ni1/3Mn2/3] für die Industrie zu verbessern Anwendungen. Sie modifizierten die O2-Elektrode und stellten eine bindemittelfreie flexible Elektrode mit hohen Leitfähigkeitseigenschaften her. Bemerkenswerterweise zeigte diese Elektrode eine lobenswerte Kapazität und Zyklenleistung bei Lade- und Entladezyklen im Bereich von 0,1 °C bis 10 °C (J. Mater. Chem. A, 2 (2014) 6723-6727).

In einem kürzlichen Durchbruch nutzte das Forschungsteam kostengünstiges Preußisch-Blau-Material (NaMFe(CN)6) und optimierte seine interne Molekularstruktur, um ein Kathodenmaterial für Natriumionenbatterien mit hoher Kapazität und langer Lebensdauer und einer spezifischen Kapazität zu entwickeln von bis zu 118,2 mAh/g (bei 10 mA/g). Diese Kapazität war vergleichbar mit dem Material Na2MnFe(CN)6. Nach 800 Lade- und Entladezyklen bei einer Stromdichte von 100 mA/g zeigte das Material eine beeindruckende Kapazitätserhaltungsrate von 83,8 % und übertraf damit das Na2MnFe(CN)6-Material deutlich.

Insbesondere erreichte das Forschungsteam einen bahnbrechenden Meilenstein, indem es dieses Material mit einer negativen Elektrode aus hartem Kohlenstoff kombinierte, um einen Prototyp einer Natriumionenbatterie zur Energiespeicherung zu schaffen. Mit einer Energiedichte von 81,72 Wh/kg, doppelt so viel wie eine Blei-Säure-Batterie, legt es eine solide technische Grundlage für die Industrialisierung von Natrium-Ionen-Energiespeicherbatterien.