Materialien für Natrium-Ionen-Batterien

Hartkohleanoden für Natrium-Ionen- und Hybrid-Energiespeicher

Natrium-Ionen-Batterien sind längst keine Labor-Kuriosität mehr. Dank reichlich vorhandener Rohstoffe, niedrigerer Kosten und überlegener Leistung bei niedrigen Temperaturen entwickeln sie sich zur Technologie der Wahl für Netzspeicher, Zweiräder und Anwendungen in kalten Klimazonen, in denen Lithium-Ionen-Batterien wirtschaftlich nicht rentabel sind.

Die Anode ist der „Torwächter“. Graphit – das Arbeitspferd der Lithium-Ionen-Batterien – kann die größeren Natriumionen nicht aufnehmen. Harter Kohlenstoff mit seiner ungeordneten turbostratischen Struktur und seinen nanoskaligen Poren ist das einzige kommerziell nutzbare Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Zellen. Seine offene Architektur bietet reichlich Interkalations- und Adsorptionsstellen für Na⁺, während seine minimale Volumenänderung während des Lade- und Entladezyklus die Integrität der Elektrode über Tausende von Lade- und Entladezyklen hinweg gewährleistet.

Die Herausforderung und der PureStar-Ansatz

Die Herausforderung besteht nicht einfach darin, „harten Kohlenstoff“ herzustellen, sondern ihn in gleichbleibender Qualität aus Ausgangsstoffen zu gewinnen, die auch in großem Maßstab verfügbar und erschwinglich bleiben.

PureStar hat ein Portfolio an Vorprodukten aus verschiedenen Rohstoffen aufgebaut, um Risiken in den Lieferketten zu minimieren und den vielfältigen Kundenanforderungen gerecht zu werden:

• PSD-TH (auf Kokosnussschalenbasis) — Indonesische Kokosnussschalen mit hoher Wandstärke, die in eigens dafür entwickelten Anlagen karbonisiert werden. Sie zeichnen sich durch hervorragende mechanische Festigkeit und eine hohe Kohlenstoffausbeute aus. Die dichte Schalenstruktur sorgt für harten Kohlenstoff mit ausgezeichneter Stampfdichte und geringer Oberfläche, wodurch der irreversible Kapazitätsverlust im ersten Zyklus reduziert wird.
• PSD-ZTH (Auf Bambusbasis) — Schnell nachwachsender Bambus bietet eine nachhaltige Alternative mit einem grundlegend anderen Porenbildungsmechanismus. Die zellulosereiche Struktur liefert harten Kohlenstoff mit verbesserter Ladegeschwindigkeit und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen schnelles Laden Vorrang vor der absoluten Energiedichte hat.
• PSD-TTH (auf Walnussschalenbasis) — Verwertet landwirtschaftliche Abfallströme zu Material in Batteriequalität. Unterstützt die Beschaffungsziele der Kreislaufwirtschaft und bietet gleichzeitig eine Leistung, die mit der von Neuware vergleichbar ist.

Alle Ausgangsstoffe werden durch präzise gesteuerte Aktivierungs- und Karbonisierungskurven in fertigen Hartkohlenstoff umgewandelt, wodurch die angestrebten Porenstrukturen fixiert werden. Das Ergebnis ist Hartkohlenstoff mit einer theoretischen spezifischen Kapazität von 300–350 mAh/g – was die praktische Grenze von Graphit überschreitet –, bei gleichzeitiger Beibehaltung der langen Zyklenlebensdauer und der Kältebeständigkeit, die Natrium-Ionen-Systeme versprechen.