Funktionsprinzip der
Natrium-Ionen-Batterie
Natrium-Ionen-Batterien sind Geräte, die Energie speichern, indem sie elektrische und chemische Energie ineinander umwandeln. Das grundlegende Funktionsprinzip ist dem der Lithium-Ionen-Batterien sehr ähnlich und basiert auf dem reversiblen Pendeln von Ionen
zwischen zwei Elektroden mit Hilfe des Elektrolyten. Ein SIB besteht aus einer positiven (Kathode) und einer negativen (Anode) Elektrode, die durch einen Separator voneinander getrennt sind, und einem Elektrolyten . Letzterer enthält ein in einem geeigneten Lösungsmittelgemisch gelöstes Natriumsalz und ermöglicht den Transport von Natriumionen zwischen den Elektroden, während er elektronisch isoliert ist. Neben der Ionenleitfähigkeit muss der Elektrolyt die Bildung stabiler Zwischenphasen an den Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen ermöglichen, um eine kontinuierliche Zersetzung des Elektrolyten bei hohen oder niedrigen Potentialen zu verhindern. Der Elektrolyt steht in Kontakt mit mehreren Zellkomponenten, darunter Stromabnehmer, Zellgehäuse, Separator und Bindemittel, und muss daher mit all diesen Komponenten kompatibel sein, um eine lange Lebensdauer und hohe Sicherheitsstandards zu erreichen.
Schritt 1 – Ausgangszustand
Eine Natrium-Ionen-Zelle wird normalerweise im entladenen Zustand zusammengebaut. Die positive Elektrode ist die Natrium-Ionen-Quelle der Zelle und enthält die übertragbaren Natrium-Ionen, während die negative Elektrode natriumfrei ist. Weithin untersuchte Kathodenmaterialien sind Natrium-Übergangsmetalloxide oder Preußischblau-Analoga, und Anodenmaterialien sind typischerweise ungeordnete Kohlenstoffe (harte Kohlenstoffe).
Schritt 2 – Bildung von SEI und CEI
Während der ersten Aufladung wird elektrische Energie verwendet, um die Wanderung der Elektronen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode über einen externen Stromkreis zu induzieren. Gleichzeitig gibt die positive Elektrode Natriumionen in den Elektrolyten ab, um die Ladungsneutralität zu erhalten. Die Natriumionen werden durch den Elektrolyten auf die negative Elektrode übertragen, um dort in das aktive Material eingebracht zu werden. Dementsprechend findet an der jeweiligen Elektrode eine Oxidations- (positive Elektrode) und eine Reduktionsreaktion (negative Elektrode) statt. Die Zellspannung steigt, wenn die Zelle aufgeladen wird. Die meisten verwendeten Elektrolytkomponenten haben ein begrenztes thermodynamisches Stabilitätsfenster und beginnen sich bei Potentialen oberhalb (positive Elektrode) oder unterhalb (negative Elektrode) ihrer elektrochemischen Stabilitätsgrenzen zu zersetzen. Infolge der Zersetzung des Elektrolyten bilden sich an den Grenzflächen zwischen Elektrode und Elektrolyt Zwischenphasen aus Zersetzungsprodukten, die CEI an der Kathode und die SEI an der Anode. Die Bildung dieser Zwischenphasen ist entscheidend für die Funktionalität der Zelle, da sie einen kontinuierlichen Elektrolytabbau verhindern. Um effizient zu sein, müssen die Interphasen elektronisch isolierend, aber stark natriumionenleitend sein.
Schritt 3 – Aufladen
Mit fortschreitender Ladung werden immer mehr Natriumionen aus der Kathode freigesetzt und über Adsorptions- und Interkalationsmechanismen in der Anode gespeichert, wodurch die Zellspannung allmählich ansteigt, bis eine vorbestimmte Ladeschlussspannung erreicht ist.
Schritt 4 – Entlassung
Während der Entladung wird die Bewegung der Elektronen und Natriumionen umgekehrt und erfolgt von der negativen zur positiven Elektrode. In diesem Fall findet die Oxidationsreaktion an der negativen Elektrode (Anode) statt, während die Reduktionsreaktion an der positiven Elektrode (Kathode) abläuft. Die Zellspannung nimmt ab, bis die Zelle eine bestimmte Abschaltspannung erreicht.
Schritt 5 – Mechanismus des Schaukelstuhls
In jedem Zyklus werden die Natriumionen von der positiven zur negativen Elektrode (Ladung) und zurück (Entladung) gependelt. Eine hohe Reversibilität der laufenden Speicherprozesse und eine hohe Elektrolytstabilität sind von entscheidender Bedeutung für eine lange Zykluslebensdauer.