Forscher verbessern Zyklenfestigkeit von Natrium-Luft-Akkus

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Ob Smartphone, Laptop oder Elektroauto. Leistungsfähige Akkus sind heute mehr denn je wichtige Verkaufsargumente. Für die Verbreitung der Elektromobilität gehört die Erhöhung der Reichweite gar zu den wichtigsten Mosaiksteinen. Auf der Suche nach der nächsten Akku-Generation ist vor allem der Natrium-Luft-Akku in den Fokus gerückt. Natrium ist deutlich einfacher verfügbar als Lithium. Zudem sollen die Natrium-Luft-Akkus eine bisher unerreichte Leistungsfähigkeit bieten – leider bisher nur theoretisch. Der praktischen Umsetzung sind Forscher von der Ohio State University, der California State University sowie dem Argonne National Laboratory allerdings nun einen Schritt näher gekommen. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, könnte eine hochkonzentrierte Elektrolytlösung den Natrium-Luft-Akku stabiler und damit praktikabel machen.

Theorie und Praxis in Einklang bringen

Auf Alkalimetall-Luft-Akkus werden große Hoffnungen gesetzt, da sie theoretisch eine besonders hohe Energiedichte haben. Eine Reihe grundsätzlicher Probleme wie eine unzureichende Wiederaufladbarkeit und Nebenreaktionen stehen einer praktischen Umsetzung jedoch noch im Wege. Unter anderem verstopft bei Ansätzen mit Lithium das entstehende Lithiumperoxid die poröse Elektrode. Das als Rohstoff leicht verfügbare Natrium könnte daher eine bessere Wahl sein. Notwendig dafür ist ein wasserfreies, aprotisches Lösungsmittel (das keine Wasserstoffionen H+ abspalten kann) für den Elektrolyten. Dimethylsulfoxid (DMSO) wäre für elektrochemische Anwendungen die Wahl. Die Schwierigkeit: DMSO reagiert aber leider allzu gern mit Natrium zu problematischen Reaktionsprodukten.

Lösungsansatz aus den USA

Die Wissenschaftler aus den USA haben dafür jetzt einen Lösungsansatz gefunden:
Eine sehr hohe Konzentration des organischen Salzes Natriumtrifluormethansulfonimid (NaTFSI) stabilisiert DMSO gegenüber Natrium. Anhand von Raman-Spektroskopie von NaTFSI/DMSO-Elektrolytlösungen sowie Simulationsrechnungen konnten die Wissenschaftler erklären, warum: In der hochkonzentrierten Lösung entsteht eine Struktur aus locker vernetzten Na(DMSO)3TFSI-Einheiten, die einen großen Anteil der DMSO-Moleküle bindet, sodass nur noch wenige für eine Reaktion zur Verfügung stehen. Das Natrium zersetzt dann vorzugsweise TFSI-Anionen – was vorteilhaft ist, da die Produkte eine passivierende Schutzschicht auf der Natrium-Elektrode bilden.Die Forscher konstruierten einen kleinen Akku, der gute elektrochemische Eigenschaften zeigte und 150 Lade/Entlade-Zyklen ohne nennenswerte Leistungseinbußen durchlief, während Zellen mit einer verdünnten Elektrolytlösung lediglich sechs Zyklen überstanden.