In der Batterieforschung gelten Natrium-Ionen-Akkus als wegweisende und nachhaltige Alternative zur gängigen Lithium-Ionen-Technologie. Ein nennenswerter Hemmschuh für ihre Marktreife waren jedoch bisher hohe Speicherverluste, die bereits beim ersten Ladezyklus auftreten. Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) konnten dieses Problem nun adressieren, indem sie ein innovatives Anodendesign entwickelten, das sowohl die Effizienz als auch die Speicherkapazität signifikant steigert.
Der zentrale Herausforderung liegt im Herstellungsprozess: Während der ersten Beladung kommt es zu einer chemischen Reaktion zwischen dem Elektrolyten – der leitfähigen Flüssigkeit – und der Anode aus hartem Kohlenstoff. Dabei zersetzen sich Elektrolyt-Moleküle und dringen tief in die Poren der Anode ein. Dort besetzen sie wertvolle Leerstellen, die eigentlich für die Speicherung der Natrium-Ionen reserviert sein sollten. Dieser Vorgang stoppt erst, wenn sich ein stabiler Schutzfilm auf der Anode gebildet hat.
Dieser Schutzfilm ist zwar notwendig, um die Anode vor weiterer Zersetzung zu bewahren, er geht jedoch mit einem irreversiblen Energieverlust einher. Da der Film zu einem beträchtlichen Teil selbst aus Natrium-Ionen besteht, entzieht er der Batterie genau jene Ladungsträger, die für den aktiven Energietransport benötigt werden.
Neues Anodenmaterial erforderlich
Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, deren Anoden aus dichtem Graphit eine schnelle Schutzschichtbildung und somit eine Effizienz von über 90 Prozent ermöglichen, lässt sich Natrium nicht in Graphit einlagern. Daher sind Natrium-Ionen-Akkus auf alternative Materialien angewiesen. Sogenannte harte Kohlenstoffe haben sich hierbei als beste Wahl erwiesen, kämpfen jedoch bislang mit den beschriebenen Verlusten während des ersten Ladevorgangs.
Innovatives Kern-Schale-Design
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team der BAM ein innovatives Kern-Schale-Design für die Anode. Die theoretische Grundlage hierfür beschreibt Tim-Patrick Fellinger: „Wir haben erkannt, dass sich bei Natrium-Ionen-Batterien große Speicherkapazitäten und effiziente Filmbildung nicht durch ein einzelnes Material realisieren lassen. Denn: Je besser sich ein Material für die Speicherung eignet, desto verlustreicher ist die Filmbildung.“
In dem neu entwickelten Verfahren wird ein poröser, schwammartiger harter Kohlenstoff, der als eigentlicher Speicher im Kern dient, mit einer hauchdünnen Schutzschicht umhüllt. Diese Schicht fungiert als Filter, der zwar die notwendigen Natrium-Ionen passieren lässt, die störenden Elektrolyt-Moleküle jedoch effektiv abweist. Dadurch bleibt die volle Speicherkapazität der Anode erhalten, was der Batterie eine dauerhafte Leistungsfähigkeit über viele Ladezyklen hinweg verleiht. Da das maßgeschneiderte Material auf kostengünstiger und umweltfreundlicher Aktivkohle basiert, ist die Technologie zudem von hoher wirtschaftlicher Relevanz.
Gleichzeitige Verbesserung von Effizienz und Speicherkapazität
Die im Rahmen der Studie entwickelten Materialien erzielen bereits jetzt eine beeindruckende Anfangseffizienz von 82 Prozent, was eine massive Steigerung gegenüber den lediglich 18 Prozent bei unbeschichteten Anoden darstellt. Das Team der BAM geht zudem davon aus, dass hier noch weiteres Optimierungspotenzial besteht.
Den strategischen Vorteil dieses neuen Ansatzes erklärt Paul Appel aus dem Team: „Die Trennung von ‚Formierung‘, so der Fachbegriff für die Filmbildung, und Speicherung erlaubt die gleichzeitige Verbesserung von Effizienz und Speicherkapazität durch getrennte Materialentwicklungen. Bisher wurden bei Batterien Fortschritte hauptsächlich durch Materialinnovationen auf der Kathodenseite erreicht. Hier sind wir den theoretischen Grenzen nahe. Bei Anodenmaterialien hingegen ist noch völlig ungewiss, wo diese Grenzen liegen und mit welchen innovativen Ansätzen in der Materialentwicklung – Stichwort: Advanced Materials – sich weitere Fortschritte erzielen lassen.“
Weiterentwicklung im Berlin Battery Lab
Die Weiterentwicklung des Anodenmaterials soll im Berlin Battery Lab (BBL) erfolgen, einer Kooperation von BAM, dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin. Das Berlin Battery Lab bündelt die Spitzenexpertise aller drei Forschungseinrichtungen im Bereich nachhaltiger Batterietechnologien und bietet der Industrie eine einzigartige Plattform, um Innovationen schneller in marktfähige Produkte zu überführen.
Quelle
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) (01/2026)