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Anodenmaterial „Hard Carbon“ für Natrium-Ionen-Batterien „Hard Carbon“ ist ein ungeordnetes Kohlenstoff-Anodenmaterial, das speziell für Natrium-Ionen-Batterien und Lithium-Ionen-Hybridkondensatoren entwickelt wurde. Die turbostratische Struktur weist zahlreiche Nanoporen und Defektstellen auf, die Platz für das größere Na⁺-Ion bieten und so eine hohe spezifische Kapazität bei hervorragendem Ladestromverhalten und hoher Kältebeständigkeit gewährleisten.
Da sich das Volumen während des Lade- und Entladezyklus nur minimal verändert, bewahrt das Material die Integrität der Elektrode über Tausende von Lade- und Entladezyklen hinweg. Zu den Ausgangsstoffen zählen Glukose, Stärke, Zellulose sowie verschiedene Phenolharze.
Wichtigste Anwendungsbereiche
- Anoden für Natrium-Ionen-Batterien — Bevorzugtes Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Zellen (Na-Ionen-Zellen). Die ungeordnete turbostratische Struktur bietet durch zahlreiche Nanoporen sowie Interkalations- und Adsorptionsstellen Platz für größere Na⁺-Ionen.
- Lithium-Ionen-Hybridkondensatoren — Hohe Leistungsdichte und schnelle Lade- und Entladefähigkeit für Lithium-Ionen-Superkondensatoren und Hybridkondensatorsysteme, die eine lange Lebensdauer erfordern.
- Start-Stopp- und Antriebsbatterien für Kraftfahrzeuge — Die hervorragende Leistungsfähigkeit und die Beständigkeit bei niedrigen Temperaturen kommen in Start-Stopp-Stromversorgungen und Systemen zur Rückgewinnung kinetischer Energie zum Einsatz.
- Energiespeicherung im Netzmaßstab — Dank ihrer langen Lebensdauer und strukturellen Stabilität eignen sich diese Batterien für den Einsatz in großen stationären Batteriesystemen zur Speicherung erneuerbarer Energien und zur Netzfrequenzregelung.
Wichtigste Merkmale
- Hervorragende Natriumspeicherleistung — Die ungeordnete Struktur und die Nanoporen bieten zahlreiche Interkalations- und Adsorptionsstellen sowie Diffusionskanäle für Natriumionen (Na⁺). Dadurch ist harter Kohlenstoff das bevorzugte Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien.
- Hohe theoretische Kapazität — Die spezifische Kapazität liegt bei 300–350 mAh/g. Die offenporige Struktur ermöglicht eine effiziente Natrium-Ionen-Interkalation und sorgt so für eine hohe Energiedichte in Zellen der nächsten Generation.
- Schnelle Leistungsentfaltung — Der geringe Na⁺-Diffusionswiderstand innerhalb der offenen Struktur ermöglicht ein schnelles Laden und Entladen. Ideal für Leistungsbatterien und Start-Stopp-Anwendungen im Automobilbereich.
- Lange Lebensdauer — Die minimale Volumenänderung während der Lade- und Entladezyklen gewährleistet die Unversehrtheit der Elektrode. Ermöglicht Tausende von Zyklen bei stabiler Kapazitätserhaltung.
- Nachhaltige und vielfältige Vorläufersubstanzen — Hergestellt aus nachwachsender Biomasse, darunter Glukose, Stärke und Zellulose, oder aus synthetischen Polymeren wie Phenolharz. Die breite Verfügbarkeit von Ausgangsstoffen gewährleistet Kosteneffizienz und eine umweltfreundliche Skalierbarkeit.
- Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen und Feuchtigkeit — Hervorragende Zyklenleistung und verbesserte Entladeeffizienz über einen breiten Temperaturbereich hinweg. Die verbesserte Feuchtigkeitstoleranz sorgt für eine stabile Batterieherstellung und einen stabilen Batteriebetrieb.
Wie „Hard Carbon“ die Leistung der Anode in Natrium-Ionen-Batterien verbessert
Graphit, das Standardanodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien, basiert auf einer geordneten Schichtstruktur, in der sich Li⁺-Ionen zwischen die Graphenblätter einlagern. Die direkte Einlagerung von Natrium in Graphit führt in der Regel zu einer geringen Kapazität. Eine reversible Natriumspeicherung in Graphit kann dennoch durch die gemeinsame Einlagerung von Lösungsmitteln in geeigneten Elektrolyten auf Etherbasis erfolgen.
„Hard Carbon“ löst dieses Problem durch eine ungeordnete turbostratische Struktur. Das Anodenmaterial aus „Hard Carbon“ in der Architektur von Natrium-Ionen-Batterien enthält zahlreiche Nanoporen und Defektstellen, die Interkalations- und Adsorptionswege für größere Na⁺-Ionen bieten. Im Gegensatz zu Graphit ermöglicht die offene Struktur eine schnelle Natriumdiffusion bei relativ geringem Widerstand, was ein schnelles Laden und Entladen ermöglicht. Die minimale Volumenänderung während der Natriumionisierung bewahrt die strukturelle Integrität und sorgt so für eine lange Zyklenlebensdauer. Mit einer theoretischen spezifischen Kapazität von 300–350 mAh/g bietet „Hard Carbon“ die Leistungsgrundlage, die Natrium-Ionen-Batterien kommerziell rentabel macht.
Hartkohle im Vergleich zu Graphit und anderen Kohlenstoffanoden
Graphit ist aufgrund seiner geordneten Struktur und seiner hohen Kapazität (theoretisch 372 mAh/g) das vorherrschende Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. In Natrium-Ionen-Systemen weist Graphit im Allgemeinen eine geringe Kapazität für die direkte Natrium-Interkalation auf; geeignete Elektrolyte auf Etherbasis können jedoch durch die Ko-Interkalation von Lösungsmitteln eine reversible Natriumspeicherung ermöglichen.
Hard Carbon schließt diese Lücke als bevorzugtes Anodenmaterial aus Hartkohle für Natrium-Ionen-Batterien. Während Graphit sich hervorragend für Lithium-Ionen-Batterien eignet, ist die ungeordnete Struktur von Hard Carbon speziell auf die Aufnahme von Na⁺ abgestimmt. Auch bei Lithium-Ionen-Hybridkondensatoren, bei denen hohe Leistungsdichte und lange Zyklenlebensdauer Vorrang vor der absoluten Energiedichte haben, leistet Hard Carbon gute Dienste. Die große Auswahl an biogenen und synthetischen Ausgangsstoffen – darunter Glukose, Stärke, Zellulose und Phenolharz – gewährleistet Versorgungsflexibilität und Kostenoptimierung. Entscheiden Sie sich für Graphit bei Standard-Lithium-Ionen-Zellen; wählen Sie Hard Carbon als Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien, Hybridkondensatoren und Anwendungen in kalten Klimazonen.