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

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.

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.“

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.