Forscher derTechnische Universität München(TUM) undRWTH Aachen UniversitätIn Deutschland wurde die elektrische Leistungsfähigkeit von Natriumionen-Hochenergiebatterien (SIBs) mit der einer hochmodernen Lithiumionen-Hochenergiebatterie (LIBs) mit einer Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Kathode verglichen.

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

• Zur weiteren Erläuterung des Impulswiderstands: Dieser Begriff beschreibt, wie stark die Batteriespannung bei plötzlicher Leistungsaufnahme abfällt. Die Forschungsergebnisse zeigen daher, dass Natrium-Ionen-Batterien stärker vom Ladezustand und der Temperatur beeinflusst werden als Lithium-Ionen-Batterien.

Forschung:

„Natriumionenbatterien (SIBs) gelten allgemein als direkter Ersatz für Lithiumionenbatterien (LIBs)“, erklärten die Wissenschaftler. „Dennoch erfordern die Unterschiede im elektrochemischen Verhalten von Natrium und Lithium Anpassungen sowohl an der Anode als auch an der Kathode. Während für Lithiumionenbatterien (LIBs) üblicherweise Graphit als Anodenmaterial verwendet wird, gilt Hartkohlenstoff derzeit als das vielversprechendste Material für Natriumionenbatterien.“

Sie erklärten außerdem, dass ihre Arbeit dazu diene, eine Forschungslücke zu schließen, da es noch immer an Wissen über das elektrische Verhalten von SIBs in Bezug auf unterschiedliche Temperaturen und Ladezustände (SOCs) mangele.

Das Forschungsteam führte insbesondere elektrische Leistungsmessungen bei Temperaturen von 10 °C bis 45 °C durch sowie Leerlaufspannungsmessungen der Vollzelle bei verschiedenen Temperaturen und Halbzellenmessungen der entsprechenden Zellen bei 25 °C.

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

Die Forscher untersuchten 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 Spannungshysterese, d. h. ihre Leerlaufspannung unterschied sich beim Laden und Entladen.

„Interessanterweise tritt die Hysterese bei Natriumionenbatterien (SIBs) vor allem bei niedrigen Ladezuständen (SOCs) auf, was laut Halbzellenmessungen wahrscheinlich auf die Hartkohlenstoffanode zurückzuführen ist“, betonten die Wissenschaftler. „Der Gleichstromwiderstand (R_DC) und die Impedanz von Lithiumionenbatterien (LIBs) zeigen eine sehr geringe Abhängigkeit vom Ladezustand. Im Gegensatz dazu steigen bei SIBs der Gleichstromwiderstand und die Impedanz bei Ladezuständen unter 30 % deutlich an, während höhere Ladezustände den gegenteiligen Effekt haben und zu niedrigeren Werten für Gleichstromwiderstand und Impedanz führen.“

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