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 von Lithium-Ionen-Batterien sehr ähnlich und beruht auf dem reversiblen Pendeln von Ionen zwischen zwei Elektroden mit Hilfe des Elektrolyten („Schaukelstuhlmechanismus“). Ein Natrium-Ionen Batterie besteht aus einer positiven (Kathode) und einer negativen (Anode)Elektrode, die durch einen mit einer Elektrolytlösung getränkten Separator voneinander getrennt sind. Letzterer enthält ein in einem geeigneten Lösungsmittelgemisch gelöstes Natriumsalz und ermöglicht den Transport von Natriumionen zwischen den Elektroden, während er gleichzeitig elektronisch isolierend wirkt. 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 allen verträglich sein, um eine lange Zykluslebensdauer und hohe Sicherheitsstandards der Natrium-Ionen Batterie zu gewährleisten.

Schritt 1 - Ausgangszustand

Eine Natriumionenzelle wird normalerweise im entladenen Zustand zusammengebaut. Die positive Elektrode ist die Natriumionenquelle der Zelle und enthält die übertragbaren Natriumionen, während die negative Elektrode natriumfrei ist Weithin untersuchte Kathodenmaterialien sind Natrium-Übergangsmetalloxide oder Preußischblau-Analoga, und Anodenmaterialien sind in der Regel ungeordnete Kohlenstoffe (sogenannte harte Kohlenstoffe).

Schritt 2 - SEI und CEI Bildung

Bei der ersten Aufladung wird elektrische Energie verwendet, um die Wanderung der Elektronen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode über einen externen Stromkreis zu bewirken. Gleichzeitig gibt die positive Elektrode Natriumionen in den Elektrolyten ab, um eine Ladungsneutralität zu erhalten. Die Natriumionen werden durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode übertragen und dort in das aktive Material eingebaut. Entsprechend findet an der jeweiligen Elektrode eine Oxidations- (positive Elektrode) und eine Reduktionsreaktion (negative Elektrode) statt. Die Zellspannung steigt mit der Aufladung der Zelle an. 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 Elektrolytzersetzung bilden sich aus den Zersetzungsprodukten an den Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen. Die CEI an der Kathode und die SEI an der Anode. Die Bildung dieser Zwischenphasen ist für die Funktionsfähigkeit der Zelle von entscheidender Bedeutung, da sie einen kontinuierlichen Elektrolytabbau verhindern. Um effizient zu sein, müssen die Zwischenphasen elektronisch isolierend, aber stark natriumionenleitend sein.

Schritt 3 - Aufladung

Mit fortschreitender Ladung werden immer mehr Natriumionen aus der Kathode freigesetzt und über Adsorptions- und Interkalationsmechanismen in die Anode eingelagert, wodurch die Zellspannung allmählich ansteigt, bis eine vorher festgelegte Ladeschlussspannung erreicht ist.

Schritt 4 - Entladung

Bei 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 – Rocking Chair -Mechanismus

In jedem Zyklus werden die Natrium-Ionen von der positiven zur negativen Elektrode (Ladung) und zurück (Entladung) gependelt. Eine hohe Reversibilität der ablaufenden Speichervorgänge und eine hohe Elektrolytstabilität sind von entscheidender Bedeutung für eine lange Zyklenlebensdauer.