Eine stabile Anode für Natrium

Natrium-Ionen-Batterien könnten eine kostengünstigere Alternative zu Li-Ionen-Batterien sein, wenn Wege gefunden werden, zu verhindern, dass die großen Natriumionen ihre Elektroden beim Hin- und Herpendeln zerstören.

Als mögliche Natriumionenanode für solche Batterien haben Materialwissenschaftler der Universität Qingdao Titandioxid und Graphit verwendet, um eine stabile Struktur zu erzeugen, die nach 2.000 Zyklen unverändert bleibt.

„Die Forscher fanden heraus, dass die Batterie eine reversible spezifische Kapazität von 228 mAh/g bei einer Stromdichte von 0,05 A/g aufwies, wobei die Kapazität nach 2000 Zyklen bei 1 A/g zu 100 % erhalten blieb“, so die Universität. „Eine vollständige Knopfzelle mit Na3V2(PO4)3 als Kathode lieferte eine Energiedichte von 220 Wh/kg.“

Als Rohmaterial wählte das Team eine Form von TiO2 namens „Anatas“, dessen Kristallstruktur aufgrund des Vorhandenseins zweidimensionaler Kanäle porös für Na+-Ionen ist.

Laut Qingdao-Professor Xiu Song Zhao hat Anatas jedoch eine schlechte Elektronenleitfähigkeit und die Ionendiffusionsrate könnte besser sein.

Die Antwort, die bei den meisten Batterieelektrodenkonstruktionen üblich ist, besteht darin, die relative Oberfläche des Materials durch die Verwendung mikroskopischer Partikel zu vergrößern, die stabil in einer hochporösen leitfähigen Matrix gehalten werden.

Zhaos Ansatz zu diesem Zweck bestand darin, die Sol-Gel-Chemie zu nutzen, um schwammiges, thermisch stabiles, mit Kohlenstoff bedecktes Anatas zu synthetisieren.

Die thermische Stabilität ist hier wichtig, da die Temperatur die Kristallstruktur von Anatas in andere Formen von TiO2 verändern kann, die weniger in der Lage sind, Natriumionen zu speichern. Das Qingdao-Team sagte, dass sein Anodenmaterial bis zu 750 °C stabil sei.

„Diese Arbeit stellte Anatas mit einer speziellen Struktur her, um die Elektronenleitfähigkeit und Ionendiffusionskinetik zu verbessern“, sagte Zhao. Es „bietet eine Methode zur Synthese leistungsstarker Anodenmaterialien auf Titandioxidbasis und Ideen zur Untersuchung des Speichermechanismus des Anatas.“

Die Arbeit wird in „Sodium-Ion Storage Properties of Thermally Stable Anatase“ beschrieben, veröffentlicht in Energy Material Advances.