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Batterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch L?sungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsm?glichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladef?higkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials ver?ffentlicht.

Die Leistung von Batterien h?ngt von vielen Faktoren ab. Insbesondere kommt es darauf an, wie Ionen in den Elektrodenmaterialien gespeichert werden und ob sie wieder freigesetzt werden k?nnen. Da Natrium-Ionen als Ladungstr?ger relativ gro? sind, k?nnen sie beim Einwandern in die jeweilige Elektrode unerwünschte Volumen?nderungen verursachen. Dieser als ?Atmung“ bezeichnete Effekt beeintr?chtigt die Lebensdauer der Batterie. Die Volumen?nderung ist besonders ausgepr?gt, wenn Natriumionen zusammen mit Molekülen aus dem organischen Elektrolyten in Elektrodenmaterialien einwandern. Diese Ko-Interkalation bisher als unerwünscht und nachteilig für die Lebensdauer von Batterien angesehen.

Ein internationales Team um Prof. Dr. Philipp Adelhelm von der Humboldt-Universit?t zu Berlin hat nun Kathodenmaterialien untersucht, bei denen die Ko-Interkalation von Ionen mit L?sungsmittelmolekülen gut funktioniert und schnellere Lade- und Entladevorg?nge erm?glicht.

Ko-Interkalation in Graphitanoden

In früheren Studien untersuchte das Team bereits die Ko-Interkalation in Graphitanoden und zeigte, dass Natrium in Kombination mit Glyme-Molekülen über viele Zyklen hinweg schnell und reversibel in den Elektrolyten hinein- und wieder herauswandern kann. Dasselbe Konzept lie? sich jedoch bislang nicht auf Kathodenmaterialien anwenden. Das Team um Adelhelm untersuchte nun dafür Kathodenmaterialien aus geschichteten ?bergangsmetallsulfiden. ?Der Prozess der Ko-Interkalation k?nnte zur Entwicklung von effizienten Batterien mit sehr kurzen Ladedauern genutzt werden. Deshalb wollten wir dieses Thema genauer untersuchen“, sagt Adelhelm.

In Kathoden funktioniert der Prozess anders

In die Studie sind Ergebnisse aus den letzten drei Jahren eingeflossen: Dr. Yanan Sun, Postdoktorandin in Adelhelms Team, führte die Messungen der Volumen?nderung in den Kathodenmaterialien durch, untersuchte mit Synchrotronstrahlung an PETRA III (DESY) die Struktur der Materialien und ermittelte für verschiedene Kombinationen von Elektroden und L?sungsmitteln die elektrochemischen Eigenschaften. In Zusammenarbeit mit Dr. Gustav ?vall und theoretischen Modellierungen konnte das Team die entscheidenden Parameter identifizieren, die es erm?glichen, Ko-Interkalationsreaktionen vorab zu modellieren. ?Der Ko-Interkalationsprozess in Kathodenmaterialien unterscheidet sich erheblich von dem in Graphitanoden“, erkl?rt Yanan Sun.

Geringe Kapazit?tsverluste, schnelle Kinetik

W?hrend Ko-Interkalationsreaktionen in Graphitanoden typischerweise die Kapazit?t reduzieren, ist der durch Ko-Interkalation verursachte Kapazit?tsverlust in den untersuchten Kathodenmaterialien sehr gering. ?Bestimmte Kathodenmaterialien bieten einen enormen Vorteil: Die Kinetik ist superschnell, fast wie bei einem Superkondensator!“, betont Sun.

Chemische ?Landschaft“ bietet viele Optionen

?Die wahre Sch?nheit der Ko-Interkalationsreaktionen liegt in der riesigen ?chemischen Landschaft“, die sich damit für die Entwicklung neuartiger Schichtmaterialien für vielf?ltige Anwendungen aufspannt“, sagt Adelhelm. Die Erforschung des Ko-Interkalationskonzepts war riskant, da es den klassischen Erkenntnissen zu Batterien widersprochen hat. ?Ich war daher dankbar, dass ich für diese Idee vom Europ?ischen Forschungsrat durch einen ERC Consolidator Grant gef?rdert wurde. Die Ergebnisse kommen durch die Zusammenarbeit vieler talentierter Menschen zustande und w?ren ohne die M?glichkeiten der vom Helmholtz-Zentrum Berlin und der Humboldt-Universit?t finanzierten gemeinsamen Forschungsgruppe zur Operando-Batterieanalyse nicht m?glich gewesen“, fügt er hinzu. ?Das kürzlich angekündigte Berlin Battery Lab zwischen HZB, HU und BAM wird noch mehr M?glichkeiten für gemeinsame Forschungsprojekte in Berlin bieten.“

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