Graphen mit Natrium könnte bessere Batterien ergeben

«Lithium wird zu einem kritischen Material, da es in grossem Umfang in Mobiltelefonen und Autobatterien verwendet wird, während Natrium im Prinzip eine viel billigere und reichlichere Alternative sein könnte», sagt Ferenc Simon, Gastwissenschaftler in der Gruppe von László Forró an der EPFL. «Dies motivierte unsere Suche nach einer neuen Batteriearchitektur: Natrium-dotiertes Graphen.»

Mit Lithiumatomen dotiertes Graphit ist eines der am häufigsten verwendeten Anodenmaterialien in Batterien und wurde 2019 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Der zunehmende Einsatz von Lithium kann jedoch zu einer Verknappung führen.

Auf der anderen Seite ist Natrium das sechsthäufigste Element auf der Erde, während Lithium nur an 25. Stelle steht. Ausserdem kann Natrium aus verschiedenen Quellen wie Steinsalz oder Meerwasser gewonnen werden. Ein großes Hindernis für die Verwendung von Natriumbatterien ist jedoch die Tatsache, dass Graphit nur etwa ein Zehntel des Lithiumgehalts aufquellen kann, was zu einer verringerten Ladungsspeicherkapazität und einer kürzeren Batterielebensdauer führt.

Die EPFL-Gastwissenschaftler Ferenc Simon und Bence G. Márkus (von der Budapester Universität für Technologie und Wirtschaft) haben mit dem Team von Professor Forró am Laboratorium für Physik der komplexen Materie einen neuartigen Syntheseweg gefunden, um einige Schichten Graphen mit Natrium zu dotieren, was eine hocheffiziente Speicherkapazität ergibt.

Die Methode verwendet flüssiges Ammoniak als Katalysator aufgrund seiner bekannten Fähigkeit, Alkalimetalle zu lösen und so die Reaktion zu unterstützen, wobei das Endmaterial praktischerweise als Gas zurückbleibt. Das Ergebnis ist ein Material mit einem hohen Kalziumgehalt.

Ein weiteres attraktives Merkmal der zweischichtigen Graphenmatrix ist, dass das magnetische Moment («Spin») des aus Natrium übertragenen Elektrons seine Orientierung über lange Zeit beibehält. Diese Eigenschaft ist eine Voraussetzung in einem Zweig der Informationstechnologien, der als Spintronik bezeichnet wird. «Unser Material kann in industriellem Maßstab synthetisiert werden und behält dennoch seine hervorragenden Eigenschaften», sagt Ferenc Simon, der leitende Autor des Papiers, «Graphen mit Natrium könnte bessere Batterien bieten.»

Ungeachtet der aufregenden Ergebnisse räumen die Forscher ein, dass der Weg zu kommerziellen Produkten noch weit sein wird. Doch mit dem fast exponentiellen Wachstum der Nachfrage nach Batterien eröffnet die Studie vielversprechende Möglichkeiten für Innovationen.

Die Ergebnisse werden in ACS Nano veröffentlicht.

(Von links nach rechts) Eine übliche Anode in Lithium-Ionen-Batterien ist lithiumdotierter Graphit, jedoch kann Na nicht in den Graphit eindringen. Die Lösung (Abbildung ganz rechts) trennt die Graphenschichten, da Na diese wirksam dotieren kann. Credit: Bence G. Márkus (BME/EPFL)

Andere Beitragszahler

• Universität Erlangen-Nürnberg
• Universidad Complutense de Madrid
• Technische Universität Yachay
• Universität Wien