Wie Natrium-Ionen wandern: MLZ-Forschende treiben sicherere Batteriematerialien voran

Ein Forscherteam am Heinz Maier-Leibnitz-Zentrum (MLZ) hat einen wichtigen Schritt zur Entwicklung sichererer und effizienterer Batterien gemacht. Ihre Studie zeigt, wie Natrium-Ionen sich in einer vielversprechenden Klasse fester Materialien, den sogenannten NASICONs, diffundieren und wandern. Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Materials Chemistry A, könnten die Weiterentwicklung natriumbasierter Festkörperbatterien für Anwendungen von Elektrofahrzeugen bis hin zu Energiespeicherung im großen Maßstab unterstützen.

Ivana_Batterien Zusammen mit ihren Mitarbeitern hat Ivana Pivarníková gezeigt, dass Natrium-Ionen innerhalb des keramischen NASICON-Materials nicht nur auf eine, sondern auf zwei unterschiedliche Arten wandern. © Bernhard Ludewig; FRM II / TUM

Zusammen mit ihren Mitarbeitern hat Ivana Pivarníková gezeigt, dass Natrium-Ionen innerhalb des keramischen NASICON-Materials nicht nur auf eine, sondern auf zwei unterschiedliche Arten wandern. © Bernhard Ludewig; FRM II / TUM

Warum Natrium statt Lithium?

Lithium-Ion-Batterien haben tragbare Elektronik und Elektromobilität revolutioniert. Jedoch bringen sie gleichzeitig Herausforderungen mit sich: Lithium ist teuer und wird immer knapper, und die flüssigen Elektrolyte in diesen Batterien sind leicht entflammbar und temperaturempfindlich. Natrium-Ionen-Batterien gelten als vielversprechende Alternative, besonders in Kombination mit festen Elektrolyten, die stabil und nicht brennbar sind. Um Festkörper-Natriumbatterien marktreif zu machen, müssen Forschende verstehen, wie gut sich Natrium-Ionen in den festen Materialien innerhalb der Batterie bewegen können.

Ivana_PhD_Gruppe Dr. Ivana Pivarníková feiert den Abschluss ihrer Promotion bei Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum. Wie es Tradition ist, werden neue Doktoranden mit einem personalisierten Doktorhut „gekrönt“, den sie hier stolz in den Händen hält zusammen mit den Kollegen der Advanced Materials Gruppe. © Thien An Pham / FRM II

Dr. Ivana Pivarníková feiert den Abschluss ihrer Promotion bei Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum. Wie es Tradition ist, werden neue Doktoranden mit einem personalisierten Doktorhut „gekrönt“, den sie hier stolz in den Händen hält zusammen mit den Kollegen der Advanced Materials Gruppe. © Thien An Pham / FRM II

Ionenbewegung auf atomarer Skala verfolgen

Genau darum geht es in der aktuellen Studie der Advanced Materials Gruppe von Dr. habil. Ralph Gilles am MLZ. Mit einer Kombination aus Neutronenstreuung, Röntgenbeugung und elektrischen Messungen untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie Natrium-Ionen durch das keramische Material NASICON (kurz für „sodium superionic conductor“, auf Deutsch: Natrium-Superionenleiter) diffundieren. Ziel war es, die genauen Wege zu identifizieren, denen die Ionen durch das Material folgen, und zu klären, wie Änderungen in der Materialzusammensetzung ihre Beweglichkeit beeinflussen.

„Unsere Studie zeigt, dass Natrium-Ionen sich im Material nicht nur auf eine, sondern auf zwei unterschiedliche Weisen bewegen“, erklärt Ivana Pivarníková, Erstautorin der Studie. „Einige Ionen führen kurze, lokal begrenzte Sprünge aus, während andere über größere Distanzen wandern. Wenn wir diese Mechanismen verstehen, können wir Materialien so gestalten, dass Natrium-Ionen sich freier bewegen, was die Leistungsfähigkeit der Batterie verbessert.“

Ivana_und_Ralph_Gilles Dr. Pivarníková und ihr Betreuer Dr. Ralph Gilles strahlen nach einer erfolgreichen Verteidigung der Doktorarbeit. © Thien An Pham / FRM II

Dr. Pivarníková und ihr Betreuer Dr. Ralph Gilles strahlen nach einer erfolgreichen Verteidigung der Doktorarbeit. © Thien An Pham / FRM II

Die Forschenden prüften außerdem, wie sich der Austausch bestimmter Atome im Material durch Elemente wie Scandium, Aluminium oder Yttrium auf den Ionentransport auswirkt. Einige Substitutionen verlangsamen die Ionenbewegung, andere tragen zur Stabilität des Materials bei oder verbessern dessen Langzeitstabilität.

Ein Weg zu praktischen Anwendungen

Diese Erkenntnisse sind besonders wertvoll für die Entwicklung vollständig festkörperbasierter Natrium-Batterien, einer Technologie, die als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ion-Systemen zunehmend Aufmerksamkeit erhält. Indem die Studie zeigt, wie Natrium-Ionen in diesen Festkörpern diffundieren und wie sich ihre Mobilität durch gezielte chemische Anpassungen optimieren lässt, liefert sie wichtige Hinweise für das Design der nächsten Batteriegeneration: sicherer, günstiger und leistungsfähiger im Langzeiteinsatz.