Die Forschung zu neuen Batteriematerialien zielt nicht nur darauf, Leistung und Lebensdauer zu optimieren sowie Kosten zu senken. Vielmehr geht es auch darum, seltene Elemente wie Lithium und Kobalt sowie toxische Bestandteile zu reduzieren. Als vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien, die auf ähnlichen Prinzipien basieren wie Lithium-Ionen-Batterien, sich jedoch aus in Europa ausreichend verfügbaren Rohstoffen herstellen lassen. "Als Materialien für die Kathode sind Schichtoxide wie Natrium-Nickel-Mangan- oxide vielversprechend", berichtet Dr. Simon Daubner, Gruppenleiter am Institut für Angewandte Materialien – Mikrostruktur-Modellierung und Simulation (IAM-MMS) des KIT. Im Exzellenzcluster POLiS (steht für: Post Lithium Storage) forscht er an der Natrium-Ionen-Technologie.

Bei diesen Kathodenmaterialien gibt es allerdings ein Problem: Natrium-Nickel-Manganoxide ändern ihre Kristallstruktur, je nachdem, wie viel Natrium gerade gespeichert ist. Wird das Material langsam geladen, geht alles geordnet zu. "Schicht für Schicht geht das Natrium aus dem Material – wie in einem Parkhaus, das sich etagenweise leert", erklärt Daubner. "Aber wenn es schnell gehen muss, wird das Natrium von allen Seiten herausgezogen." Dadurch kommt es zu mechanischen Spannungen, die das Material dauerhaft schädigen können.

Forschende am Institut für Nanotechnologie (INT) und am IAM-MMS des KIT haben gemeinsam mit Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen an der Universität Ulm und am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) diese Zusammenhänge mithilfe von Simulationen aufgedeckt.

Experimente bestätigen Simulationsergebnisse

"Computermodelle können verschiedene Längenskalen beschreiben, von der Anordnung der Atome in Elektrodenmaterialien über deren Mikrostruktur bis hin zur Zelle als funktionale Einheit jeder Batterie", sagt Daubner. Diese verbinden Mikrostrukturmodelle mit langsamen Lade- und Entladeexperimenten, um das Schichtoxid NaXNi1/3Mn2/3O2 zu untersuchen. Das Material weist mehrere Degradationsmechanismen auf, die zu Kapazitätsverlust führen.

Daher taugt es derzeit noch nicht für kommerzielle Anwendungen. Wenn sich die Kristallstruktur ändert, kommt es zu einer elastischen Verformung. Der Kristall schrumpft, was zu Rissen führen kann und die verfügbare Kapazität mindert. Wie am INT und am IAM-MMS vorgenommene Simulationen zeigten, ist dieser mechanische Einfluss so stark, dass er maßgeblich beeinflusst, wie schnell sich das Material laden lässt. Experimentelle Untersuchungen am ZSW bestätigten die Ergebnisse. Die in der Studie gewonnenen Erkenntnisse lassen sich teilweise auf andere Schichtoxide übertragen. Das Verständnis der grundlegenden Vorgänge kann hilfreich für die Entwicklung von Batteriematerialien sein.

Publikation:
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: Combined study of phase transitions in the P2-type NaXNi1/3Mn2/3O2 cathode material: experimental, ab-initio and multiphase-field results. npj Computational Materials 10, 75 (2024). DOI/10.1038/s41524-024-01258-x

Quelle: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)