Forscher aus demTechnische Universität München(TUM) undRWTH Aachenin Deutschland haben die elektrische Leistung von Hochenergie-Natrium-Ionen-Batterien (SIBs) mit der einer hochmodernen Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterie (LIBs) mit einer Lithium-Eisenphosphat-Kathode (LFP) verglichen.

Das Team stellte fest, dass Ladezustand und Temperatur einen größeren Einfluss auf den Impulswiderstand und die Impedanz der SIBs haben als die der LIBs. Dies kann sich auf die Designentscheidungen auswirken und legt nahe, dass SIBs möglicherweise ausgefeiltere Temperatur- und Lademanagementsysteme benötigen, um die Leistung zu optimieren, insbesondere bei niedrigeren Ladezuständen.

• Um die Impulsresistenz genauer zu erklären: Der Begriff beschreibt den Spannungsabfall einer Batterie bei plötzlicher Leistungsanforderung. Untersuchungen zeigen daher, dass Natrium-Ionen-Batterien stärker vom Ladezustand und der Temperatur beeinflusst werden als Lithium-Ionen-Batterien.

Forschung:

„Natrium-Ionen-Batterien [SIBs] gelten allgemein als direkter Ersatz für LIBs“, erklärten die Wissenschaftler. „Die Unterschiede im elektrochemischen Verhalten von Natrium und Lithium erfordern jedoch Anpassungen sowohl an der Anode als auch an der Kathode. Während bei Lithium-Ionen-Batterien [LIBs] üblicherweise Graphit als Anodenmaterial verwendet wird, gilt Hartkohlenstoff für SIBs derzeit als das vielversprechendste Material.“

Sie erklärten außerdem, dass ihre Arbeit eine Lücke in der Forschung schließen solle, da es immer noch an Wissen über das elektrische Verhalten von SIBs im Hinblick auf unterschiedliche Temperaturen und Ladezustände (SOCs) mangele.

Das Forschungsteam führte insbesondere elektrische Leistungsmessungen in einem Temperaturbereich von 10 bis 45 Grad Celsius und Leerlaufspannungsmessungen der Vollzelle bei unterschiedlichen Temperaturen sowie Halbzellenmessungen der entsprechenden Zellen bei 25 Grad Celsius durch.

„Darüber hinaus untersuchten wir den Einfluss von Temperatur und Ladezustand sowohl auf den Gleichstromwiderstand (R DC) als auch auf die galvanostatische elektrochemische Impedanzspektroskopie (GEIS)“, heißt es in der Mitteilung. „Um die nutzbare Kapazität, die nutzbare Energie und die Energieeffizienz unter dynamischen Bedingungen zu untersuchen, führten wir Belastbarkeitstests durch, indem wir unterschiedliche Lastraten bei unterschiedlichen Temperaturen anwendeten.“

Die Forscher maßen eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Natrium-Ionen-Batterie mit einer Nickel-Mangan-Eisen-Kathode und eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer LFP-Kathode. Alle drei zeigten eine Spannungshysterese, das heißt, ihre Leerlaufspannung unterschied sich zwischen Laden und Entladen.

„Interessanterweise tritt die Hysterese bei SIBs vor allem bei niedrigen Ladezuständen auf, was laut Halbzellenmessungen wahrscheinlich auf die Hartkohlenstoffanode zurückzuführen ist“, betonten die Wissenschaftler. „R DC und Impedanz der LIB zeigen eine sehr geringe Abhängigkeit vom Ladezustand. Im Gegensatz dazu steigen R DC und Impedanz bei SIBs bei Ladezuständen unter 30 % deutlich an, während höhere Ladezustände den gegenteiligen Effekt haben und zu niedrigeren R DC- und Impedanzwerten führen.“

Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Temperaturabhängigkeit von R_DC und Impedanz bei SIBs höher ist als bei LIBs. „Die LIB-Tests zeigen keinen signifikanten Einfluss des SOC auf den Roundtrip-Wirkungsgrad. Im Gegensatz dazu kann das Zyklisieren der SIBs von 50 % auf 100 % SOC die Effizienzverluste im Vergleich zum Zyklisieren von 0 % auf 50 % um mehr als die Hälfte reduzieren“, erklärten sie weiter und merkten an, dass die Effizienz von SIBs beim Zyklisieren der Zellen in einem höheren SOC-Bereich im Vergleich zu einem niedrigeren SOC-Bereich drastisch steigt.