Wasserstoff zerstört Natrium-Ionen-Batterien

Entscheidende Erkenntnisse ebnen Weg zu einer deutlichen Verlängerung der Lebensdauer [...]

So trennen sich Mangandioxid und Natrium (c) Hartwin Peelaers

Forscher der University of California haben den Grund für die Selbstzerstörung der Kathode bei Natrium-Ionen-Batterien gefunden. Die Kathode besteht aus Natrium-Mangandioxid, ein Material, das sich in Anwesenheit von Wasserstoff nach und nach auflöst. Mit diesem Wissen lässt sich die Lebensdauer der Akkus erhöhen, meinen Studienleiter Chris Van de Walle und seine Mitarbeiter Zhen Zhu und Hartwin Peelaers.

PC-Simulation zeigt Schäden

„Wasserstoff ist während der Herstellung des Kathodenmaterials anwesend oder es wird aus der Umwelt aufgenommen“, sagt Zhu, der mittlerweile zu Google gewechselt ist. „Wir wussten, dass Wasserstoff die Eigenschaften von elektronischen Werkstoffen stark verändert.“ Daher hätten sie die Auswirkungen des Gases auf das Kathodenmaterial untersucht. Das taten sie nicht experimentell, sondern per Simulation am Computer. Sie verwendeten ein Programm, das in der Lage ist, strukturelle und chemische Auswirkungen von Fremdstoffen auf das Kathodenmaterial zu ermitteln.

Peelaers, mittlerweile Professor für Materialwissenschaften an der University of Kansas, beschreibt das Schlüsselerlebnis so: „Wir stellten schnell fest, dass Wasserstoff in der Lage ist, problemlos in das Material einzudringen.“ Das habe dazu geführt, dass sich Natriumatome und Mangandioxid-Moleküle voneinander trennen. Dieser Vorgang sei unumkehrbar und reduziere die Lebensdauer.

Suche nach Verkapselung

Van de Walle weiß schon, wie sich das Problem lösen lässt. Bei der Produktion des Kathodenmaterials müsse verhindert werden, dass es mit Wasserstoff in Berührung kommt. Die fertige Kathode schließlich müsse gekapselt werden, damit sie keinen Wasserstoff aus der Luftfeuchtigkeit aufnehmen kann. Während es problemlos möglich ist, die Produktion entsprechend zu verändern, sind noch Forschungsarbeiten nötig, um ein geeignetes Hüllmaterial zu finden, das die Funktionsfähigkeit der Kathode nicht beeinträchtigt.

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