Batterien: Die Materialien von morgen heute modellieren (Natrium-Ionen-Batterien)

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Mikrostruktursimulationen zeigen starken Einfluss elastischer Verformung auf das Ladeverhalten von Schichtoxiden als Kathode in Natrium-Ionen-Batterien

Welche Faktoren bestimmen, wie schnell sich eine Batterie aufladen lässt? Diese und andere Fragen untersuchen Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) mithilfe computergestützter Simulationen. Mikrostrukturmodelle helfen dabei, neue Elektrodenmaterialien zu entdecken und zu untersuchen. Wird Natrium-Nickel-Mangan-Oxid als Kathodenmaterial in Natrium-Ionen-Batterien verwendet, zeigen Simulationen, dass sich die Kristallstruktur während des Ladens verändert. Diese Veränderungen führen zu einer elastischen Verformung, in deren Folge die Kapazität abnimmt. Die Forscher berichten in npj Computergestützte Materialien (DOI: 10.1038/s41524-024-01258-x)

Ziel der Forschung an neuen Batteriematerialien ist es, deren Leistung und Lebensdauer zu optimieren sowie die Kosten zu senken. Auch der Verbrauch seltener Elemente wie Lithium und Kobalt sowie giftiger Bestandteile soll reduziert werden. Natrium-Ionen-Batterien gelten in dieser Hinsicht als vielversprechend. Sie basieren auf ähnlichen Prinzipien wie Lithium-Ionen-Batterien, können aber aus in Europa gut verfügbaren Rohstoffen hergestellt werden. Und sie eignen sich sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen. „Schichtoxide wie Natrium-Nickel-Mangan-Oxide sind vielversprechende Kathodenmaterialien“, sagt Dr. Simon Daubner, Gruppenleiter am Institut für Angewandte Materialien – Mikrostrukturmodellierung und Simulation (IAM-MMS) des KIT und korrespondierender Autor der Studie. Im Rahmen des Exzellenzclusters POLiS (steht für Post Lithium Storage) erforscht er die Natrium-Ionen-Technologie.

Schnelles Laden erzeugt mechanische Belastung

Allerdings haben derartige Kathodenmaterialien ein Problem: Natrium-Nickel-Mangan-Oxide verändern ihre Kristallstruktur, je nachdem, wie viel Natrium gespeichert ist. Lädt man das Material langsam, läuft alles in geordneten Bahnen ab. „Natrium verlässt das Material Schicht für Schicht, so wie Autos ein Parkhaus Stockwerk für Stockwerk verlassen“, erklärt Daubner. „Bei schnellem Laden wird Natrium jedoch von allen Seiten entzogen.“ Die Folge sind mechanische Spannungen, die das Material dauerhaft schädigen können.

Forscher vom Institut für Nanotechnologie (INT) und IAM-MMS des KIT haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Ulm und des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Simulationen durchgeführt, um die Situation zu klären. Sie berichten in npj Computergestützte Materialieneine Zeitschrift der Natur Portfolio.

Experimente bestätigen Simulationsergebnisse

„Computermodelle können verschiedene Längenskalen beschreiben, von der Anordnung der Atome in Elektrodenmaterialien über deren Mikrostruktur bis hin zur Zelle als Funktionseinheit einer jeden Batterie“, sagt Daubner. Zur Untersuchung des Schichtoxids NaXNi1/3Mn2/3O2 wurden Mikrostrukturmodelle mit langsamen Lade- und Entladeexperimenten kombiniert. Dabei zeigte sich, dass das Material mehrere Degradationsmechanismen aufweist, die zu einem Kapazitätsverlust führen. Aus diesem Grund ist es für kommerzielle Anwendungen noch nicht geeignet. Eine Veränderung der Kristallstruktur führt zu einer elastischen Verformung. Der Kristall schrumpft, was zu Rissbildung und Kapazitätsverlust führen kann. INT- und IAM-MMS-Simulationen zeigen, dass dieser mechanische Einfluss maßgeblich die Ladezeit des Materials bestimmt. Experimentelle Untersuchungen am ZSW bestätigen diese Ergebnisse.

Die Erkenntnisse der Studie lassen sich teilweise auch auf andere Schichtoxide übertragen. „Jetzt verstehen wir die grundlegenden Prozesse und können an der Entwicklung von Batteriematerialien arbeiten, die langlebig sind und sich möglichst schnell laden lassen“, fasst Daubner zusammen. Dies könnte in fünf bis zehn Jahren zu einer breiten Nutzung von Natrium-Ionen-Batterien führen.

Originalpublikation (Open Access):

Simon Daubner, Manuel Dillenz, Lukas Fridolin Pfeiffer, Cornelius Gauckler, Maxim Rosin, Nora Burgard, Jan Martin, Peter Axmann, Mohsen Sotoudeh, Axel Groß, Daniel Schneider, Britta Nestler: Kombinierte Untersuchung von Phasenübergängen im P2-Typ NaXNi1/3Mn2/3O2-Kathodenmaterial: experimentelle, ab-initio- und Mehrphasenfeld-Ergebnisse. npj Computational Materials, 2024. DOI: 10.1038/s41524-024-01258-x

Informationen zur Exzellenzcluster POLiS

Mehr über die KIT-Zentrum Materialien in Technik und Lebenswissenschaften

Artikel mit freundlicher Genehmigung von Bausatz.