Einfach erklärt
Bei manchen Natrium-Akkus wird das Material im Inneren beschädigt, wenn der Akku stark aufgeladen wird. Forschende haben herausgefunden, dass eine gleichmäßigere Mischung bestimmter Teilchen das Material stabiler machen könnte. Das könnte langlebigere Akkus ermöglichen – muss aber noch in vollständigen Batterien unter Alltagsbedingungen geprüft werden.
Warum die Kathodenstruktur beim Laden leidet
Wie gut eine Natrium-Ionen-Batterie funktioniert, hängt unter anderem davon ab, ob ihr Kathodenmaterial Natrium-Ionen oft aufnehmen und wieder abgeben kann, ohne dass sich seine innere Struktur dauerhaft verändert. In einer Studie, die am 20. Oktober 2026 online im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde, prüfte ein Forschungsteam einen neuen Ansatz zur Auswahl der Bestandteile solcher Materialien. Dabei ging es nicht nur um die durchschnittliche Größe oder Ladung der Ionen, sondern auch darum, wie stark sich ihr lokaler elektrischer Einfluss innerhalb des Kristalls unterscheidet.
Warum die Kathodenstruktur beim Laden leidet
Geschichtete Oxide vom O3-Typ zählen zu den wichtigen Kandidaten für Kathoden in Natrium-Ionen-Batterien. Sie verbinden eine hohe theoretische Kapazität mit einem großen anfänglichen Natriumvorrat und lassen sich mit unterschiedlichen Übergangsmetallen zusammensetzen. Diese Variationsmöglichkeiten geben Forschenden viel Spielraum, die Eigenschaften des Materials gezielt einzustellen. Sie garantieren jedoch nicht, dass die Struktur beim Laden und Entladen stabil bleibt.
Besonders deutlich wird das Problem bei Betriebsspannungen von über etwa 4,0 Volt. Je mehr Natrium beim Laden aus dem Material entfernt wird, desto schwächer wird die elektrostatische Abschirmung zwischen benachbarten Schichten aus Übergangsmetalloxiden. Dadurch können die Schichten gegeneinander verrutschen und ihre kristalline Anordnung verändern. Außerdem können sich die von Sauerstoff und Metallen gebildeten Baueinheiten verformen, die als TMO6-Einheiten bezeichnet werden.
Solche Veränderungen sind nicht bloß Vorgänge im mikroskopischen Maßstab, die ohne Folgen für die Batterie blieben. Wenn sie sich häufen, kann das Kristallgitter schneller altern, und beim Entladen kehrt das Material womöglich weniger vollständig in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Dadurch könnte es immer schlechter gelingen, Natrium-Ionen effizient und wiederholt ein- und auszulagern. Ein Material muss daher nicht nur zu Beginn Ladung speichern können. Auch bei vielen Ladezyklen sollte sich seine Struktur möglichst gut zurückbilden.
Vom Ausprobieren zur berechenbaren Auswahl
Um ihre Kathoden zu stabilisieren, bauen Entwicklerinnen und Entwickler mitunter elektrochemisch inaktive Ionen ein. Diese Ionen beteiligen sich nicht direkt an den Reaktionen, bei denen Ladung gespeichert wird. Der Ansatz kann allerdings einen Nachteil haben: Zusätzliche Bestandteile, die nicht an den Redoxreaktionen mitwirken, verringern möglicherweise den Anteil der aktiven Komponenten und damit die reversible Kapazität. Außerdem stützte sich die Auswahl geeigneter Elemente bislang oft auf allgemeine Merkmale wie den Ionenradius, die Oxidationsstufe oder die Gesamtzusammensetzung.
Ein Mittelwert kann jedoch wichtige Unterschiede zwischen den Ionen in ein und demselben Material verdecken. Denn die Ionen beeinflussen die lokalen Bindungen zum Sauerstoff nicht alle gleich stark. Dadurch können Bindungen unterschiedlich geformt sein, im Gitter ungleichmäßige Spannungen entstehen und sich verschiedene Bereiche des Kristalls während des Ladens zeitlich versetzt verändern. Daraus ergab sich die zentrale Frage der Studie: Lässt sich diese Vielfalt mit einer Kennzahl beschreiben, die Hinweise auf die Stabilität der Kathode gibt – statt sich nur auf allgemeine Angaben zur Zusammensetzung zu verlassen?
Das Team untersuchte, was es als Unterschiede der Ionenfeldstärken zwischen den Kationen bezeichnet. Laut Studie wird diese Kennzahl aus der formalen Wertigkeit eines Ions, seinem Ionenradius und seinem Anteil an der Zusammensetzung berechnet. Ein einzelner Wert kann zwar nicht alle Vorgänge in einer Batterie erklären. Er könnte die Materialentwicklung aber um eine lokale Perspektive ergänzen: Im Blick stehen dann nicht nur durchschnittliche Eigenschaften, sondern auch die Unterschiede zwischen den Einflüssen der einzelnen Kationen.
Zwei Materialien zeigen einen deutlichen Unterschied
Die Forschenden prüften eine Kathode mit geringer Streuung und einem Kennzahlenwert von 0,34. Als Vergleich diente ein ähnliches Material mit stärkerer Streuung und einem Wert von 0,395. Obwohl beide Materialien zum selben allgemeinen Strukturtyp O3 gehörten, verhielten sie sich beim Entfernen von Natrium unterschiedlich. Das Material mit dem niedrigeren Wert durchlief einen besser umkehrbaren Strukturwandel von O3 über P3 zurück zu O3. In der stärker streuenden Probe traten bei hohen Spannungen hingegen zusätzliche Phasenübergänge auf.
Der Vergleich ist deshalb aufschlussreich, weil er einen Unterschied auf Ionenebene mit Veränderungen verbindet, die sich im gesamten Kristall beobachten lassen. Um die Entwicklung des Gitters zu verfolgen, nutzte das Team während des Betriebs Röntgenbeugung. Die Messungen zeigten, dass sich die Abmessungen des Kristalls bei der Kathode mit geringerer Streuung während der weitgehenden Natrium-Entnahme weniger stark veränderten. Das spricht dafür, dass das Material den Strukturverformungen unter diesen besonders anspruchsvollen Bedingungen besser widerstand.
Dass sich die Struktur von O3 über P3 wieder zu O3 verändert, bedeutet nicht, dass jedes einzelne Atom in jedem Zyklus exakt an seine ideale Position zurückkehrt. Es ist aber ein Hinweis darauf, dass sich die Veränderungen der Gesamtstruktur geordneter und weniger kompliziert vollziehen können. Zusätzliche Übergänge bei hoher Spannung können dagegen dazu führen, dass verschiedene Bereiche des Materials nicht mehr im Gleichschritt reagieren. Lokale Unterschiede nehmen dann möglicherweise zu, und die Rückkehr zur ursprünglichen Struktur wird schwieriger.
Hinweise auf weniger chemische Schäden und innere Spannungen
Das Team suchte außerdem nach gasförmigen Reaktionsprodukten, die auf Nebenreaktionen oder eine Schädigung durch Sauerstoff hindeuten könnten. Mit elektrochemischer differentieller Massenspektrometrie stellten die Forschenden im untersuchten Spannungsbereich kein Sauerstoffgas (O2) fest. Zugleich beobachteten sie eine deutliche Abnahme der Bildung von Kohlendioxid (CO2). Diese Befunde passen zu der Annahme, dass einige Schäden durch Sauerstoff und Reaktionen an der Grenzfläche zwischen Kathode und anderen Zellbestandteilen weniger stark auftreten.
Weitere Messungen stützten dieses Bild. Mithilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie an einer Synchrotronstrahlungsquelle untersuchte das Team die unmittelbare Umgebung der Atome. Darstellungen der Spannungen auf atomarer Ebene machten zudem räumliche Unterschiede innerhalb des Materials sichtbar. Den Ergebnissen zufolge ging eine geringere Streuung mit weniger lokalen Störungen der atomaren Koordination, einer besseren strukturellen Rückbildung und einer geringeren Anhäufung ungleichmäßiger Spannungen einher. Das ist wichtig, weil die Röntgenbeugung vor allem Eigenschaften der Struktur in einem größeren Maßstab erfasst. Andere Verfahren helfen dagegen, Vorgänge in der direkten Umgebung einzelner Atome sichtbar zu machen.
Auch bei der Veränderung der Streuungskennzahl während der Natrium-Entnahme zeigte sich ein Unterschied: Bei der Kathode mit geringerer Streuung stieg sie um 7,35 %, beim stärker streuenden Vergleichsmaterial dagegen um 17,72 %. Das deutet darauf hin, dass eine geringere Streuung der Ionenfeldstärken mit geringeren Veränderungen während des Ladens einhergehen könnte. Der Befund stützt die Erklärung der übrigen Ergebnisse, beweist aber weder, dass die Kennzahl allein die Leistung jedes Materials bestimmt, noch dass der zugrunde liegende Mechanismus für alle möglichen Zusammensetzungen geklärt ist.
Wie inaktive Ionen helfen könnten
Die Forschenden schlagen einen Ausgleich der Ionenfeldstärken als möglichen Mechanismus vor. Werden inaktive Kationen hinzugefügt, die ihre Umgebung mittelstark beeinflussen, könnten sie die Unterschiede zwischen den Einflüssen der aktiven Kationen verringern. Dadurch könnten die Metall-Sauerstoff-Bindungen gleichmäßiger werden. Beim Entfernen von Natrium würden sich verschiedene Bereiche des Materials dann womöglich weniger unterschiedlich verändern. Die Struktur könnte sich koordinierter bewegen, statt dass einzelne Bereiche stärker belastet werden als andere.
Der Ansatz bedeutet nicht, dass möglichst viele verschiedene Elemente hinzugefügt werden sollten. Eine immer komplexere Zusammensetzung ist kein Selbstzweck. Zu viele inaktive Ionen könnten die reversible Kapazität verringern und außerdem die Herstellung erschweren. Die zentrale Erkenntnis für die Materialentwicklung lautet vielmehr: Geringe Unterschiede zwischen den Ionenfeldstärken könnten wichtiger sein als eine besonders komplizierte Zusammensetzung mit vielen verschiedenen Bestandteilen, die allein wegen ihrer Vielfalt attraktiv erscheint.
Das Team beschränkte sich nicht auf das zentrale Vergleichspaar. Nach eigenen Angaben nutzten die Forschenden die Kennzahl auch, um zwei weitere Kathodenzusammensetzungen zu untersuchen, bei denen sich die elektrochemische Leistung verbesserte. Außerdem verglichen sie zwei Materialien, deren mittlere Ionenradien und Wertigkeiten ähnlich waren, die sich aber im Wert der Streuungskennzahl unterschieden. Diese gezielte Gegenüberstellung half zu zeigen, dass sich der beobachtete Unterschied nicht ohne Weiteres allein durch den durchschnittlichen Ionenradius oder die Wertigkeit erklären lässt.
Was die Kennzahl leisten kann – und wo ihre Grenzen liegen
Die Kennzahl könnte schon vor der Herstellung und umfangreichen Prüfung von Batteriezellen nützlich sein. Sie kann dabei helfen, die Zahl der vielversprechenden Zusätze und Zusammensetzungen einzugrenzen. Für ihre Berechnung werden Angaben zur Zusammensetzung herangezogen, die sich bestimmen lassen: die formale Wertigkeit, der Ionenradius und der Anteil jedes Kations. Das Team hält den Ansatz deshalb für verschiedene mehrkomponentige Schichtoxide vom O3-Typ für geeignet. So könnte er einen systematischeren Ausgangspunkt für die Entwicklung von Kathoden bieten, die bei hohen Spannungen arbeiten.
Die Ergebnisse belegen bislang jedoch nicht, dass diese Kennzahl allein die Lebensdauer einer Batterie im praktischen Einsatz vorhersagen kann. Dafür muss der Ansatz an mehr Zusammensetzungen untersucht und die Leistung in vollständigen Zellen unter praxisnahen Betriebsbedingungen überprüft werden. Die Forschenden warnen außerdem davor, die Idee direkt auf Kathoden zu übertragen, bei denen Sauerstoff oxidiert wird. Bei diesen Materialien können weitere Probleme auftreten, etwa die Wanderung von Metallen innerhalb des Gitters oder der Verlust von Sauerstoff aus der Struktur. Solche Prozesse lassen sich nicht allein dadurch erfassen, dass man die Unterschiede der Ionenfeldstärken ausgleicht.
An der Arbeit waren die Nankai University, die Nanjing University of Science and Technology, die China Spallation Neutron Source, das Institute of High Energy Physics der Chinese Academy of Sciences und das Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations beteiligt. Die Studie erschien im Journal of the American Chemical Society und trägt die DOI 10.1021/jacs.6c11691. Sie wurde am 20. Oktober 2026 online veröffentlicht. Für ihre Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Kathodenzusammensetzung und Stabilität kombinierten die Forschenden die Herstellung der Materialien mit Strukturanalysen, elektrochemischen Tests und Berechnungen.
Fazit
Die Studie eröffnet einen anderen Blick auf Zusätze für Kathoden in Natrium-Ionen-Batterien. Statt nur den durchschnittlichen Ionenradius oder die Wertigkeit zu betrachten, lässt sich auch untersuchen, wie stark sich die lokalen Einflüsse der Ionen im Material unterscheiden. Im vorgestellten Vergleich war der Wert 0,34 mit einem besser umkehrbaren Strukturwandel und geringeren Veränderungen der Gitterabmessungen verbunden. Bei einem Wert von 0,395 traten dagegen zusätzliche Übergänge bei hoher Spannung auf. Die geringere Streuung ging außerdem mit weniger Anzeichen für Störungen und innere Spannungen einher; während der Natrium-Entnahme stieg die Kennzahl um 7,35 % statt um 17,72 %. Das ist ein vielversprechender Ansatz für die Materialentwicklung, aber noch keine fertige Bauanleitung: Er muss mit weiteren Zusammensetzungen und in praxistauglichen Zellen geprüft werden. Zugleich gilt es, mögliche Nachteile durch zu viele Zusätze und die besonderen Herausforderungen sauerstoffbasierter Kathoden zu berücksichtigen.