Natrium-Schwefel-Batterien: Potenzial für die Energiewende

Natrium-Schwefel-Batterien gelten als vielversprechende Lösung, um Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind- und Sonnenenergie umweltverträglich und kosteneffizient zu speichern – vor allem dann, wenn die Energie gerade nicht gebraucht wird. Allerdings war ihre Lebensdauer bislang begrenzt. Ein Forschungsteam um Prof. Markus Antonietti, Direktor am Max-Planck-Institut, hat ein neuartiges Kathodenmaterial aus Schwefel und Kohlenstoff entwickelt, das dieses Problem adressiert.

Forschungsförderung und exklusive Patentlizenzen

Im Rahmen des Kooperationsvertrags wird Gelion die Forschung am Max-Planck-Institut über drei Jahre hinweg mit 600.000 Euro unterstützen. Im Gegenzug erhält das Unternehmen exklusive Lizenzen auf die entstehenden Patente. Prof. Markus Antonietti wird Gelion außerdem beratend bei der Weiterentwicklung der Natrium-Schwefel-Batterien zur Seite stehen. Darüber hinaus sieht die Zusammenarbeit vor, dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts künftig bei Gelion tätig werden können.

„Wir freuen uns, mit Gelion zusammenzuarbeiten, um unsere bahnbrechende Schwefelbatterie-Technologie zu vermarkten“, sagt Antonietti. „Gemeinsam wollen wir erschwingliche, nachhaltige und leistungsstarke Energielösungen anbieten, um den globalen Anforderungen gerecht zu werden.“ Und er ergänzt: „Das bedeutet, wir haben uns auf eine lange, aber vielversprechende Reise begeben – von münzgroßen Labortests bis hin zu großformatigen stationären Batterien als Alternative zu herkömmlichen Lithium-Batterien.“

Nanostrukturen gegen Polysulfide

Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien sind Natrium-Schwefel-Batterien ökologisch deutlich unbedenklicher: Die Rohstoffe Natrium und Schwefel sind günstig, reichlich vorhanden und weniger problematisch in der Gewinnung. So lässt sich Natrium etwa aus Meerwasser oder Salzlagerstätten gewinnen, Schwefel fällt als Nebenprodukt in der Erdöl- und Erdgasindustrie an.

Ein bisher ungelöstes Problem war jedoch das sogenannte Polysulfid-Shuttling: Dabei entstehen lösliche Polysulfide, die zwischen den Elektroden wandern und die Batterie schädigen können. Genau hier setzen die Schwefel-Kohlenstoff-Materialien aus der Abteilung von Antonietti an. Ihre Nanoporen schließen die Polysulfide ein und verhindern so deren schädliche Wanderung.

Tests zeigen vielversprechende Ergebnisse: Nach 1.500 Lade- und Entladezyklen behielt eine Batterie noch 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Darüber hinaus ermöglichen die Materialien eine Nutzung von über 99 Prozent des Schwefels zur Energiespeicherung – ein weiterer Beitrag zur hohen Energiedichte der Natrium-Schwefel-Zellen.

„Schwefel ermöglichte schon immer eine hohe Energiedichte, aber es gab Probleme mit der Leistung und der Lebensdauer“, erklärt John Wood, CEO von Gelion. „Indem wir die Ansätze von Gelion und von Max-Planck kombinieren, ergibt sich nun das Potenzial, alle drei Eigenschaften in einer Zelle zu optimieren.“

Vom Labormaßstab zum Großformat

Gelion war bislang vor allem auf Lithium-Schwefel-Batterien spezialisiert, die durch die Max-Planck-Materialien ebenfalls verbessert werden könnten. Nun steigt das Unternehmen auch in die Entwicklung von Natrium-Schwefel-Batterien ein. Aktuell arbeitet Gelion an einem ersten Prototypen, der 100-mal größer ist als die bisherigen Zellen aus dem Labor.

„Gemeinsam haben Gelion und das Max-Planck-Institut außergewöhnliche Fähigkeiten,“ sagt Thomas Maschmeyer, Gründer und Direktor von Gelion. „So können wir eine kostengünstige und sichere Energiespeicherung entwickeln, die äußerst attraktive Leistungsmerkmale aufweist und einige der am besten verfügbaren Elemente nutzt – Kohlenstoff, Natrium und Schwefel.“

Originalpublikation:
Senokos, E., Au, H., Eren, E. O., Horner, T., Song, Z., Tarakina, N. V., Yılmaz, E. B., Vasileiadis, A., Zschiesche, H., Antonietti, M., & Giusto, P. (2024). Sustainable sulfur-carbon hybrids for efficient sulfur redox conversions in nanoconfined spaces. Small, 20(42), Article 2407300. DOI: 10.1002/smll.202407300

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft