Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) haben einen hybriden Natrium-Ionen-Akku mit hoher Energie und Leistung entwickelt, der sich in wenigen Sekunden aufladen lässt. Das System kombiniert Anodenmaterialien, die normalerweise in Akkus verwendet werden, mit Kathoden, die für Superkondensatoren geeignet sind.
Natrium-Ionen-Akkus und Natrium-Ionen-Kondensatoren
Natrium-Ionen-Energiespeichersysteme haben aufgrund ihrer überlegenen Sicherheit, Rohstoffkosten und Umweltfreundlichkeit im Vergleich zu den allgegenwärtigen Lithium-Ionen-Akkus viel Aufmerksamkeit erregt. Es gibt zwei Arten von Natrium-Ionen-Energiespeichersystemen: Natrium-Ionen-Akkus und Natrium-Ionen-Kondensatoren. Erstere sind aufgrund ihrer geringen Leistungsdichte schlecht wiederaufladbar, bieten aber eine relativ hohe Energiedichte. Letztere hingegen weisen eine hohe Leistungsdichte, aber eine niedrige Energiedichte auf. Daher ist die Kombination von kondensatorartigen Kathoden und batterieartigen Anoden in Natrium-Ionen-Hybrid-Energiespeicherzellen (SIHES) ein aktiver Forschungsbereich, der das Beste aus beiden Welten zusammenbringt.
Der Ansatz der KAIST-Forscher führte zur Entwicklung eines Anodenmaterials mit verbesserter Kinetik durch den Einschluss feiner aktiver Materialien in porösem Kohlenstoff, der von metallorganischen Gerüsten abgeleitet ist. Darüber hinaus wurde ein Kathodenmaterial mit hoher Kapazität synthetisiert, und die Kombination der Kathoden- und Anodenmaterialien ermöglichte die Entwicklung eines SIHES-Systems, wodurch das Gleichgewicht optimiert und die Unterschiede bei den Energiespeicherraten zwischen den Elektroden minimiert wurden.
Die Forscher berichten in ihrer Studie, dass der neu entwickelte Hybrid die Energiedichte von handelsüblichen Lithium-Ionen-Akkus übertrifft und die Eigenschaften der Leistungsdichte von Superkondensatoren aufweist. Der SIHES wies eine Energiedichte von 247 Wh/kg und eine schnell wiederaufladbare Leistungsdichte von 34.748 W/kg auf und übertraf damit ähnliche Akku-Reaktionen um mehr als das Hundertfache. Außerdem wurde eine Zyklenstabilität mit einem Coulomb-Wirkungsgrad von rund 100 % über 5.000 Lade-/Entladezyklen nachgewiesen.
Die KAIST-Forscher erwarten ein breites Anwendungsspektrum für ihre neue SIHES-Technologie, das von Elektrofahrzeugen über intelligente elektronische Geräte bis hin zu Luft- und Raumfahrttechnologien reicht. Die Technologie wird jedoch wahrscheinlich erst dann den etablierten Markt herausfordern, wenn die Kosten durch die Verbesserung der technischen Leistung, den Aufbau von Lieferketten und die Erzielung von Größenvorteilen gesenkt werden.
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Bild: Hilary Halliwell
