Lithium-Ionen-Batterien sind der Energiespender für zahlreiche elektronischer Geräte. Doch das Alkali-Material ist teuer und die Gewinnung belastet die Umwelt. Wesentlich umweltfreundlicher und kostengünstiger sind dagegen Natrium-Ionen-Batterien. Denn dieser Stoff steht in der Natur als Kochsalz fast unbegrenzt zur Verfügung. Auf der Suche nach verbesserten Materialen für diese neue Batterie-Generation sind Forscher vom Helmholtz-Institut Ulm des Karlsruher Instituts für Technologie nun fündig geworden – und zwar auf dem Komposthaufen. Aus Apfelresten entwickelten sie ein kohlenstoffbasiertes Aktivmaterial für die negative Elektrode. Für die Postiv-Elektrode wurde widerrum ein Material aus Schichtoxiden kreiert. Beide Stoffe überzeugten im Test mit „exzellenten elektrochemischen Eigenschaften“, wie das Team in den Fachjournalen „ChemElectroChem“ (2015, Online-Veröffentlichung) und „Advanced Energy Materials“  (2015, Online-Veröffentlichung) berichtet.

Ob in Handys, Laptops oder Tablets: Lithium-Ionen-Batterien sind für diverse elektronische Geräte der Energiespeicher. Doch die Gewinnung von Lithium ist aufwendig und teuer. Lange Zeit gab es keine Alternative zu den leistungsstarken Minimotoren. Nun bekommt das Alkalimaterial Konkurrenz. Natrium-Ionen-Batterien könnten den beliebten Speichergiganten bald den Rang ablaufen. Der Grund: Natrium-Ionen-Batterien sind nicht nur deutlich leistungsstärker als Systeme wie Nickel-Metallhydrid-, Bleisäure-Akkumulatoren oder die Lithium-Ionen-Technologie. Im Vergleich zum Lithium ist Natrium auch in der Natur als Kochsalz fast unbegrenzt verfügbar, leichter abbaubar und somit günstiger.

Kohlenstoff aus Apfelabfällen gewonnen

Wissenschaftler um Stefano Passerini und Daniel Buchholz vom Helmholtz-Institut Ulm des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun zwei neue Aktivmaterialien für diese vielversprechende Batterie-Generation entwickelt. Für die negative Elektrode kreierten sie einen kohlenstoffbasierten Stoff, der aus Apfelresten gewonnen wurde, der beispielsweise beim Pressen von Saft entsteht. Unter Luftabschluss entwickelt der Kohlenstoff eine Konsistenz, die für Batterieelektroden besonders gut geeignet ist. Der Studie zufolge überzeugte das neue Material in über 1.000 Lade- und Entladezyklen sowohl mit einer hoher Zyklenstabilität als auch einer hohen Kapazität.

Cobalt durch Natriumoxidschicht ersetzt

Für die Positiv-Elektrode entwickelte das Team ein Material, welches aus verschiedenen Schichten von Natriumoxiden besteht. Der Vorteil hier: Das Aktivmaterial kommt ohne das teure und umweltschädliche Element Cobalt aus, das ein wichtiger Bestandteil der kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien ist. Auch dieses neue Aktivmaterial, in dem die eigentliche elektrochemische Speicherung von Energie stattfindet, überzeugte im Labor und konnte in über hundert Zyklen in Punkto Effizienz, Zyklenstabilität, Kapazität sowie Spannung die gleichen Leistungsdaten erreichen, wie die Cobalt-beladenen Lithium-Ionen-Batterien. Mit der Entwicklung dieser beiden nachhaltigen Materialien, so die Hoffnung der Forscher, könnte ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Entwicklung kostengünstiger und umweltfreundlicher Natrium-Ionen-Batterien gelungen sein.