Bei Lithium-Ionen-Batterien tritt dieses Problem kaum auf, weil sich auf deren Anoden aus dichtem Graphit die Schutzschicht leichter bildet, so dass die Effizienz des Akkus meist höher als 90 Prozent ist. Natrium kann jedoch nicht in Graphit eingelagert werden. Daher wird bei diesem Batterietyp generell ein anderes Anodenmaterial benötigt. Hier haben sich sog. harte Kohlenstoffe als besonders geeignet erwiesen.

Innovatives Kern-Schale-Design

Tim-Patrick Fellinger, BAM-Experte für Energiematerialien: "Wir haben erkannt, dass sich bei Natrium-Ionen-Batterien große Speicherkapazitäten und effiziente Filmbildung nicht durch ein einzelnes Material realisieren lassen. Denn: Je besser sich ein Material für die Speicherung eignet, desto verlustreicher ist die Filmbildung." Die Forschenden entwickelten ein Verfahren, bei dem sie einen porösen, d. h. schwammartigen, harten Kohlenstoff als Speichermaterial im Kern der Anode mit einer hauchdünnen Schicht umhüllen, die wie ein Filter wirkt: Sie lässt die erwünschten Natrium-Ionen passieren, hält aber störende Elektrolyt-Moleküle fern. So bleibt die Speicherkapazität der Anode erhalten und die Batterie kann über viele Ladezyklen hinweg ihre Leistung halten. Das maßgeschneiderte Material basiert auf Aktivkohle, einem günstigen und umweltfreundlichen Material – was die Technologie auch wirtschaftlich interessant macht.

Effizienz und Speicherkapazität

Die in der Studie entwickelten Materialien erreichen bereits jetzt eine Anfangseffizienz von 82 Prozent – ohne Beschichtung liegt sie bei 18 Prozent. Weitere Fortschritte hält das BAM-Team für wahrscheinlich. "Die Trennung von ‚Formierung‘, so der Fachbegriff für die Filmbildung, und Speicherung erlaubt die gleichzeitige Verbesserung von Effizienz und Speicherkapazität durch getrennte Materialentwicklungen. Bisher wurden bei Batterien Fortschritte hauptsächlich durch Materialinnovationen auf der Kathodenseite erreicht. Hier sind wir den theoretischen Grenzen nahe. Bei Anodenmaterialien hingegen ist noch völlig ungewiss, wo diese Grenzen liegen und mit welchen innovativen Ansätzen in der Materialentwicklung – Stichwort: Advanced Materials – sich weitere Fortschritte erzielen lassen", so Paul Appel aus dem Team. Die Weiterentwicklung des Anodenmaterials soll im Berlin Battery Lab (BBL) erfolgen, einer Kooperation von BAM, dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin.

Publikation:
Core-Shell: Resolving the Dilemma of Hard Carbon Anodes by Sealing Nanoporous Particles With Semi-Permeable Coatings; P. A .Appel, C .Prinz, J. L. Low, N. E. Asres, S.-H. Wu, A. Freytag, J. Krug von Nidda, N. Amadeu de Sousa, T.-P. Fellinger Angew. Chem. Int. Ed.. 2026, 65, e19457. DOI: 10.1002/anie.202519457

Quelle: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)