Antimon für Batterien

Die Jagd ist er?ffnet. Und zwar auf neue Materialien f¨¹r die n?chste Generation von Batterien, welche eines Tages Lithium-Ionen-Akkus ersetzen. Diese liefern heutzutage f¨¹r Smartphones, Laptops und viele weitere tragbare elektronische Ger?te zuverl?ssig Strom. Doch die Elektromobilit?t und station?re Energiespeicher verlangen nach mehr und leistungsf?higeren Batterien, und die damit einhergehende hohe Nachfrage nach Lithium k?nnte zu einem Engpass bei diesem Rohstoff f¨¹hren. Gefordert sind deshalb Batterien, die konzeptionell mit Lithiumionenbatterien identisch sind, aber auf Natriumionen basieren. Obwohl dar¨¹ber bereits seit 20 Jahren geforscht wird, wurde bis heute erstaunlich wenig ¨¹ber Materialien bekannt, die effizient Natriumionen speichern k?nnen.

Elektrode aus Antimon?

Auf der Suche nach alternativen Batteriematerialien sind Forscher der ETH Z¨¹rich und der Empa unter der Leitung von Maksym Kovalenko m?glicherweise einen Schritt weitergekommen: Sie haben es als erste geschafft, gleichm?ssige Antimon-Nanokristalle zu synthetisieren. Diese bieten sich aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften an als Anodenmaterial, und zwar sowohl f¨¹r Lithium- als auch f¨¹r Natriumionen. Die Resultate ihrer Studie wurden soeben in Nano Letters ver?ffentlicht.

Lange schon galt Antimon als viel versprechendes Anodenmaterial f¨¹r leistungsf?hige Lithiumionen-Batterien, da dieses Halbmetall eine doppelt so hohe Ladekapazit?t wie das derzeit verwendete Anodenmaterial Graphit aufweist. Erste Studien zeigten auf, dass Antimon f¨¹r wiederaufladbare Natrium- und Lithiumionen-Batterien geeignet sein k?nnte, weil es beide Ionen speichern kann. Natrium ist eine m?gliche g¨¹nstigere Alternative zu Lithium, da es nat¨¹rlicherweise viel h?ufiger vorkommt und gleichm?ssiger auf der Erde verteilt ist als Lithium.

Nanokristalle mit Vorteilen

Damit Antimon die hohe Speicherf?higkeit erlangt, muss es jedoch in eine spezielle Form gebracht werden. Kovalenko und sein Team haben eine Methode entwickelt, um gleichm?ssige Nanokristalle zu synthetisieren. Damit gelang es den Forschenden, monodisperse Antimon-Nanokristalle in den Gr?ssenklassen von 10 und 20 Nanometer herzustellen.

Nanokristalle haben gegen¨¹ber gr?sseren Kristallen entscheidende Vorteile. Antimon ist beim Laden und Entladen der Ionen grossen Volumenver?nderungen unterworfen. Bei Nanokristallen sind diese Volumenver?nderungen reversibel und laufen schnell ab. ?Normales? Antimon w¨¹rde dabei hingegen br¨¹chig. Weiterer wichtiger Vorteil: Antimon-Nanopartikel k?nnen mit leitf?higem Kohlenstoff-F¨¹llmaterial vermischt werden. Das verhindert ein Verklumpen der Nanoteilchen.

Wunschkandidat f¨¹r Anodenmaterial

Labortests zeigten Kovalenko und seinen Mitarbeitern, dass Elektroden aus Antimon-Nanokristallen eine gleich hohe Leistung f¨¹r beiden Ionenarten besitzen. Damit sind Antimon-Nanoteilchen besonders geeignet f¨¹r den Einsatz in Natriumionen-Batterien, weil die bis anhin besten Lithium speichernden Materialien Graphit und Silizium mit Natrium nicht funktionieren.

Hochgradig gleichm?ssige Nanokristalle ¨C nur gerade 10 Prozent oder weniger weichen in ihrer Gr?sse von der Durchschnittsgr?sse der Partikel ab ¨C erlaubten es den Forscher auch, das beste Verh?ltnis von Gr?sse zu Leistung zu ermitteln. Die beste Leistung bieten Antimon-Nanokristalle von 20 Nanometer Gr?sse, fanden die Forscher heraus. Sind die Teilchen 10 Nanometer oder noch kleiner, wird das Verh?ltnis von Volumen zu Oberfl?che ung¨¹nstig, und sie oxidieren rasch. Kristalle, die gr?sser als 100 Nanometer sind, werden hingegen durch die erw?hnten Volumen?nderungen beim Laden und Entladen zerst?rt.

Teurere Alternative

R¨¹ckt damit eine Alternative zu heutigen Lithium-Ionen-Akkus in Griffweite? Kovalenko winkt ab. Noch ist die Herstellung von einheitlichen Antimon-Nanokristallen in ausreichender Menge und Qualit?t zu teuer, obwohl das Verfahren an sich relativ einfach ist. ?Insgesamt sind Batterien mit Natriumionen und Antimon-Nanokristallen als Anodenmaterial nur dann eine viel versprechende Alternative zu heutigen Lithiumionen-Akkus, wenn die Kosten f¨¹r die Batterieherstellung und die Leistung des Stromspeichers vergleichbar sind?, sagt Kovalenko.

Eine weitere wichtige Erkenntnis aus dieser Studie sei, dass es gar nicht so darauf ankomme ultrauniforme Nanoteilchen in einer Elektrode einzusetzen, um eine hohe Leistung zu erzielen. Antimon ist relativ ?gutm¨¹tig?. Die Forscher fanden n?mlich auch heraus, dass Teilchen zwischen 20 und 100 Nanometern gross sein k?nnen ohne dass die Energiedichte oder die Entlade- und Laderaten darunter leiden. Andere Materialien, welche die Chemiker pr¨¹ften, sind diesbez¨¹glich weniger tolerant. Steigt deren Partikelgr?sse an, fallen diese Leistungsmerkmale stark ab. Antimon nimmt deshalb eine einzigartige Position innerhalb der Materialien ein, die mit Lithium und Natrium Verbindungen eingehen.

?Das vereinfacht es erheblich, eine wirtschaftlich machbare Synthese zur Bildung der Kristalle zu entwickeln?, betont der ETH-Professor. Dies sei denn auch der n?chste Schritt seiner Gruppe, zusammen mit ihrem Industriepartner eine g¨¹nstigere Synthesemethode zu finden. Bis eine Natriumionen-Batterie mit Antimonelektrode auf den Markt kommen k?nnte, d¨¹rfte es wohl mindestens zehn Jahre dauern, sch?tzt Kovalenko. Die Forschung dazu stehe erst am Anfang.