Einen neuartigen Feststoff auf Natriumbasis hat eine Forschungsgruppe aus Marburg, Köln und Singapur hergestellt. Er könntesich für günstige Batterien zur Speicherung regenerativer Energien eignen.
Die Verbindung weist die höchste Leitfähigkeit vergleichbarer Elektrolyte auf, die bisher bekannt ist. Das Team um Prof. Dr. Stefanie Dehnen und Prof. Dr. Bernhard Roling von der Philipps-Universität berichtet in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ über seine Ergebnisse.
Die Energiewende ist ohne Energiespeicherung unmöglich. Umweltschonende Technologien erfordern leistungsfähige Batterien. Zum Kernbestand jeder Batterie gehört ein Elektrolyt als Trägermaterial, in dem sich geladene Teilchen von einem Batteriepol zum anderen bewegen.
Eine wichtige Klasse solcher Materialien sind feste Elektrolyte. Sie bieten nicht nur sicherheitstechnische Vorteile, sondern erlauben auch ein platzsparendes Batteriedesign.
„Feststoffbatterien auf der Basis von Natriumionen gelten als vielversprechende Kandidaten für die Speicherung erneuerbarer Energien vor allem, weil natriumhaltige Rohstoffe in großer Fülle zur Verfügung stehen“, erklärten die Marburger Chemikerin Dehnen und der Marburger Chemiker Roling. Sie sind die Seniorautoren der aktuellen Studie.
Ihre Forschungsgruppe setzte in der Suche nach einem verbesserten Batteriematerial bei Natriumverbindungen an, von denen die Wissenschaft schon seit einigen Jahren weiß, dass sie als Elektrolyte tauglich sind. Bislang scheiterten aber alle Versuche, hochreine Verbindungen der gewünschten Materialien mit ausreichend hoher Ionenleitfähigkeit zu produzieren.
Um dieses Ziel endlich zu erreichen, erkundete das Team um Dehnen und Roling systematisch verschiedene Zusammensetzungen und Herstellungsbedingungen. „Hier berichten wir nun über die phasenreine Synthese der Verbindung Na11Sn2PS12, die sich als bester Natriumionen-Leiter auf Schwefelbasis erweist, der zur Zeit bekannt ist“, berichteten die Autoren.
Die Gruppe klärte die Kristallstruktur des Materials auf und studierte dessen Ionenleitfähigkeit über einen weiten Temperaturbereich. Im Vergleich mit anderen Feststoffelektrolyten auf Natrium- sowie Lithiumbasis ergab sich eine bemerkenswert hohe Leitfähigkeit.
„Die Erhöhung der Leitfähigkeit ist viel ausgeprägter als theoretisch vorausgesagt“, führte Chemie-Doktorand Marc Duchardt aus. Er ist der Erstautor der Studie.
„Dies beruht vermutlich auf dem Vorhandensein von Natrium-Leerstellen in der gegenüber den verwandten Verbindungen leicht veränderten Kristallstruktur“, vermutet das Team. Alles in allem hält die Gruppe die Verbindung für tauglich, als Elektrolyt in Feststoffbatterien für die Speicherung erneuerbarer Energien Anwendung zu finden.
Dehnen lehrt an der Philipps-Universität Anorganische Chemie, Roling Physikalische Chemie. Neben den Marburger Arbeitsgruppen waren die Chemiker Uwe Ruschewitz von der Universität zu Köln und Stefan Adams von der University of Singapore an der Studie beteiligt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie die Marburger Nachwuchsakademie MARA förderten die Forschungsarbeiten finanziell.
* pm: Philipps-Universität Marburg