Der zunehmende Verbrauch fossiler Brennstoffe, die nach wie vor die wichtigste Energiequelle der Welt sind, und der Ausstoß von CO2 haben zu zahlreichen schwerwiegenden Problemen wie Umweltverschmutzung und Klimawandel geführt [1]. Um die Ziele des Pariser Klimaabkommens hinsichtlich des künftigen Energiebedarfs [2] und der Klimaneutralität bis 2050 [3] zu erreichen, wird die Entwicklung erneuerbarer Energiequellen immer dringlicher. Obwohl die durch Windturbinen, Sonnenkollektoren oder Wasserkraft erzeugte Elektrizität sauber und sicher ist, ist die Versorgung unstetig und erfordert groß angelegte Speichervorrichtungen, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Die elektrochemische Energiespeicherung hat viele wünschenswerte Eigenschaften, wie z. B. einen umweltfreundlichen Betrieb, einen hohen Wirkungsgrad, einen großen Leistungs- und Energiebereich, eine lange Lebensdauer und einen geringen Wartungsaufwand sowie eine einfache Integration in das Stromnetz [4, 5]. Batterien sind elektrochemische Geräte, welche die in den aktiven Materialien gespeicherte chemische Energie hocheffizient durch elektrochemische Oxidations- und Reduktionsreaktionen direkt in elektrische Energie umwandeln. Heutzutage gibt es viele verschiedene Arten von Batterien, allerdings sind Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) am weitesten verbreitet und werden in fast allen tragbaren Geräten, Elektrofahrzeugen oder stationären Stromspeichern eingesetzt [7]. Die wachsende Nachfrage nach Lithium und sein geringes Vorkommen in der Erdkruste, vor allem in abgelegenen oder politisch sensiblen Gebieten, erschweren jedoch seine Gewinnung und machen die Preise sehr instabil [8,9]. Darüber hinaus werden in LIBs derzeit leicht entflammbare, feuchtigkeitsempfindliche organische Elektrolyte verwendet, die die größte Gefahrenquelle darstellen [9, 10].
Natrium-Ionen-Batterien (SIB) wurden in den 80er Jahren parallel zu den LIB untersucht. Obwohl Natrium in vielerlei Hinsicht dem Lithium ähnelt, gibt es einige Unterschiede zwischen den beiden Metallen, die zu abweichenden chemischen Eigenschaften und elektrochemischen Leistungen führen [7]. Natrium hat einen größeren Ionenradius und ein größeres Atomgewicht, was zu geringeren volumetrischen und gravimetrischen Kapazitäten führt, was den Einsatz von SIB für tragbare und mobile Anwendungen einschränkt. SIBs sind jedoch die attraktivsten Kandidaten für groß angelegte stationäre Energiespeicheranwendungen und Und Kurzstrecken-Elektroautos. Aufgrund der reichlich vorhandenen und gut verteilten Natriumvorkommen gelten die SIBs als kostengünstige, sichere, stabile und ungiftige Alternative. Darüber hinaus können bei der SIB-Technologie wässrige Elektrolyte verwendet werden, die sehr leitfähig, sicher und umweltfreundlich sind [5], was die SIBs für groß angelegte stationäre Anwendungen noch attraktiver macht.Die Hauptaufgabe eines sechsmonatigen Forschungsstipendiums, das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt finanziert wurde, bestand darin, Die polyanionische SIB-Elektrodenmaterialien, die im Rahmen meiner Doktorarbeit bereits während hergestellt wurden, mit Hilfe von fortschrittlichen Analyse- und Diagnosewerkzeugen, die am Helmholtz-Institut Ulm/Karlsruher Institut für Technologie (HIU/KIT) zur Verfügung stehen, genauer zu untersuchen. Mehrere potenzielle wässrige SIB-Kathoden-/Anodenmaterialien wie NaTi2(PO4)3, Na4Fe3(PO4)2(P2O7), Na4Mn3(PO4)2(P2O7), Na7V4(PO4)(P2O7)4 und Na4VFe(PO4)3 wurden bereits während meiner ersten beiden Promotionsjahre synthetisiert und während dieses Stipendiums durch galvanostatische, potentiostatische Zyklen, Operando-Röntgenbeugung, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und elektrochemische Impedanzspektroskopie untersucht. Der Einfluss der Elektrodenpräparation auf die elektrochemische Leistung wurde untersucht. Darüber hinaus wurden verschiedene wässrige Elektrolyte, wie z. B. hochkonzentriertes 17m NaClO4, sowie organische (nichtwässrige) Elektrolyte mit allen Elektrodenmaterialien getestet.
Verweise: [1] G.-L. Xu, R. Amine, A. Abouimrane, H. Che, M. Dahbi, Z.-F. Ma, I. Saadoune, J. Alami, W.L. Mattis, F. Pan, Z. Chen, K. Amine, Challenges in Developing Electrodes, Electrolytes, and Diagnostics Tools to Understand and Advance Sodium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials, 8 (2018) 1702403. [2] The Paris Agreement. https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement/the-paris-agreement. [3] Implementing the SET Plan 2020 report. https://setis.ec.europa.eu/implementing-set-plan-2020-report-2020-11-23_en. [4] D. Kundu, E. Talaie, V. Duffort, L.F. Nazar, The emerging chemistry of sodium ion batteries for electrochemical energy storage, Angew Chem Int Ed Engl, 54 (2015) 3431-3448. [5] J.B. Goodenough, Evolution of strategies for modern rechargeable batteries, Acc Chem Res, 46 (2013) 1053-1061. [6] D. Linden, T.B. Reddy, Handbook of batteries, 3rd ed., McGraw-Hill, New York, 2002, 21 [7] P.K. Nayak, L. Yang, W. Brehm, P. Adelhelm, From Lithium-Ion to Sodium-Ion Batteries: Advantages, Challenges, and Surprises, Angew Chem Int Ed Engl, 57 (2018) 102-120. [8] S. Il Park, I. Gocheva, S. Okada, J. Yamaki, Electrochemical Properties of NaTi2(PO4)(3) Anode for Rechargeable Aqueous Sodium-Ion Batteries, J Electrochem Soc, 158 (2011) A1067-A1070. [9] C. Vaalma, D. Buchholz, M. Weil, S. Passerini, A cost and resource analysis of sodium-ion batteries, Nature Reviews Materials, 3 (2018) 18013.