Materialforschung

Natrium-Leerstellen verbessern Batterieeigenschaften

Forschende aus Marburg, Köln und Singapur haben einen neuartigen Feststoff auf Natriumbasis hergestellt, der sich als Elektrolyt in sicheren und erschwinglichen Batterien eignen könnte. Die Verbindung weist die höchste Leitfähigkeit vergleichbarer Elektrolyte auf, die bisher bekannt ist.

Die Marburger Chemieprofessorin Dr. Stefanie Dehnen und ihr Kollege Professor Dr. Bernhard Roling knüpfen Verbindungen und gewinnen daraus Energie. (Foto: Reinhold Eckstein).  

Zum Kernbestand jeder Batterie gehört ein Elektrolyt, also ein Trägermaterial, in dem sich geladene Teilchen von einem Batteriepol zum anderen bewegen. Eine wichtige Klasse solcher Materialien sind feste Elektrolyte, die nicht nur sicherheitstechnische Vorteile bieten, sondern auch ein platzsparendes Batteriedesign erlauben. „Feststoffbatterien auf der Basis von Natriumionen gelten als vielversprechende Kandidaten für die Speicherung erneuerbarer Energien, vor allem, weil natriumhaltige Rohstoffe in großer Fülle zur Verfügung stehen“, erklären die Marburger Chemikerin Prof. Dr. Stefanie Dehnen und der Marburger Chemiker Prof. Dr. Bernhard Roling, die Seniorautoren der aktuellen Studie.

Bester Natriumionenleiter auf Schwefelbasis

Die Forschungsgruppe setzte in ihrer Suche nach einem verbesserten Batteriematerial bei Natriumverbindungen an, von denen die Wissenschaft schon seit einigen Jahren weiß, dass sie als Elektrolyte tauglich sind. Bislang scheiterten aber alle Versuche, hochreine Verbindungen der gewünschten Materialien mit ausreichend hoher Ionenleitfähigkeit zu produzieren. Um dies endlich zu erreichen, erkundete das Team um Dehnen und Roling systematisch verschiedene Zusammensetzungen und Herstellungsbedingungen. „Hier berichten wir nun über die phasenreine Synthese der Verbindung Na11Sn2PS12, die sich als bester Natriumionenleiter auf Schwefelbasis erweist, der zur Zeit bekannt ist“, so die Autoren.

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Die Gruppe klärte die Kristallstruktur des Materials auf und studierte dessen Ionenleitfähigkeit über einen weiten Temperaturbereich. Im Vergleich mit anderen Feststoffelektrolyten auf Natrium- sowie Lithiumbasis ergab sich eine bemerkenswert hohe Leitfähigkeit. „Die Erhöhung der Leitfähigkeit ist viel ausgeprägter als theoretisch vorausgesagt“, führt Chemiedoktorand Marc Duchardt aus, der Erstautor der Studie. „Dies beruht vermutlich auf dem Vorhandensein von Natrium-Leerstellen in der gegenüber den verwandten Verbindungen leicht veränderten Kristallstruktur“, vermutet das Team. Alles in allem hält die Gruppe die Verbindung für tauglich, als Elektrolyt in Feststoffbatterien für die Speicherung erneuerbarer Energien Anwendung zu finden.

Dehnen lehrt an der Philipps-Universität Anorganische Chemie, Roling Physikalische Chemie. Neben den Marburger Arbeitsgruppen waren die Chemiker Uwe Ruschewitz von der Universität zu Köln und Stefan Adams von der University of Singapore an der Studie beteiligt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft sowie die Marburger Nachwuchsakademie MARA förderten die Forschungsarbeiten finanziell.

Originalveröffentlichung
Marc Duchardt & al.: Vacancy-Controlled Na+ Superion Conduction in Na11Sn2PS12, Angewandten Chemie 2017, DOI: 10.1002/anie.201712769

 

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