Neue Materialien für nachhaltige Billigbatterien

Ein neues leitendes Material und ein neues Elektrodenmaterial k?nnten den Weg bereiten für kostengünstige Batterien. Damit l?sst sich erneuerbare Energie in grossem Stil speichern.

Symbolbild
Es wird auch Strom ben?tigt, wenn die Sonne nicht scheint und kein Wind bl?st. Kostengünstige Batterien sind eine M?glichkeit, wie Energie aus erneuerbaren Quellen zwischengespeichert werden kann. (Grafik: Shutterstock)

Für die Energiewende braucht es Technologien, um Strom aus erneuerbaren Energiequellen kostengünstig zwischenzuspeichern. Eine vielversprechende neue M?glichkeit sind Aluminiumbatterien. Sie bestehen aus billigen und in grossen Mengen vorkommenden Rohstoffen (siehe Kasten).

An der Erforschung und Entwicklung solcher Batterien sind auch Wissenschaftler von der ETH Zürich und der Empa um Maksym Kovalenko, Professor für anorganische Funktionsmaterialien, beteiligt. Diese Forscher haben nun zwei neue Materialien gefunden, welche die Entwicklung von Aluminiumbatterien entscheidend weiterbringen k?nnten. Es handelt sich dabei einerseits um ein korrosionsbest?ndiges Material für die leitenden Teile der Batterie, andererseits um ein neuartiges Material für ihren Pluspol, das an vielf?ltige technische Anforderungen angepasst werden kann.

Aggressive Elektrolytflüssigkeit

Weil die Elektrolytflüssigkeit von Aluminiumbatterien ?usserst aggressiv ist und beispielsweise rostfreien Stahl (sowie auch Gold und Platin) angreift, sind Wissenschaftler auf der Suche nach korrosionsbest?ndigen Materialien für die leitenden Teile solcher Batterien. ETH-Professor Kovalenko und seine Kollegen sind in Titannitrid, einem keramischen Material mit ausreichend hoher Leitf?higkeit, fündig geworden. ?Diese Verbindung besteht aus den sehr h?ufig vorkommenden Elementen Titan und Stickstoff und l?sst sich einfach herstellen?, erkl?rt Kovalenko.

Die Wissenschaftler haben im Labor erfolgreich Aluminiumbatterien mit leitenden Teilen aus Titannitrid hergestellt. Aus dem Material k?nnen auch dünne Filme hergestellt werden, und es eignet sich zur Beschichtung anderer Materialien. Daher w?re es laut Kovalenko auch denkbar, die Leiter aus einem herk?mmlichen Metall herzustellen und sie mit Titannitrid zu beschichten oder gar Titannitrid-Leiterbahnen auf Kunststoff zu drucken. ?Die m?glichen Anwendungen von Titannitrid bleiben dabei nicht auf Aluminiumbatterien beschr?nkt. Das Material k?nnte auch in anderen Batteriearten eingesetzt werden, zum Beispiel in solchen, die auf Magnesium oder Natrium basieren, oder in Hochspannungs-Lithiumionenbatterien?, sagt Kovalenko.

Knopfzelle
Die Forschenden stellten im Labor Aluminium-Knopfbatterien her. Das Batteriegeh?use ist aus Edelstahl, das innen mit Titannitrid beschichtet ist, um es korrosionsbest?ndig zu machen. (Bild: ETH Zürich / Kostiantyn Kravchyk)
Funktionsschema
Funktionsschema der Aluminiumbatterien der Forschenden von ETH Zürich und Empa. (Quelle: Walter M et al. Advanced Materials 2018, bearbeitet)

Alternative zu Graphit

Das zweite neue Material verwendeten die Forscher für die positive Elektrode (Pluspol) von Aluminiumbatterien. W?hrend die negative Elektrode (Minuspol) bei solchen Batterien aus Aluminium ist, besteht die positive Elektrode in der Regel aus Graphit. Kovalenko und seine Mitarbeiter haben nun ein neues Material gefunden, mit dem sich in einer Batterie ?hnlich viel Energie speichern l?sst wie mit Graphit. Es handelt es sich um Polypyren, einen Kohlenwasserstoff mit kettenf?rmiger Molekülstruktur. Insbesondere Materialproben, in denen sich die Molekülketten ungeordnet zusammenlagerten, erwiesen sich in Experimenten als ideal. ?Zwischen den Molekülketten bleibt viel Platz. Die verh?ltnism?ssig grossen Ionen der Elektrolytflüssigkeit k?nnen daher gut in das Elektrodenmaterial eindringen und es laden?, erkl?rt Kovalenko.

Molekülstrukur von Polypyren
Molekülstrukur von Polypyren (Quelle: Walter M et al. Advanced Materials 2018)

Zu den Vorteilen von Polypyren-haltigen Elektroden geh?ren, dass Wissenschaftler ihre Eigenschaften beeinflussen k?nnen, beispielsweise ihre Porosit?t. Das bietet die M?glichkeit, das Material optimal an die jeweiligen Anwendungen anzupassen. ?Das bisher verwendete Graphit hingegen ist ein Mineral. Es l?sst sich ingenieurtechnisch nicht ver?ndern?, so Kovalenko.

Sowohl Titannitrid als auch Polypyren sind biegsame Materialien und daher laut den Forschern für die Verwendung in sogenannten Pouch-Zellen (von einer flexiblen Folie umschlossenen Batterien) geeignet.

Batterien für die Energiewende

Immer mehr Strom wird aus Sonnen- und Windenergie hergestellt. Weil Strom jedoch auch dann ben?tigt wird, wenn die Sonne nicht scheint und kein Wind bl?st, werden neue Technologien n?tig, um diesen Strom kostengünstig zwischenzuspeichern, beispielsweise neue Batterietechnologien. Die existierenden Lithiumionenbatterien sind wegen ihres geringen Gewichts zwar optimal für die Elektromobilit?t. Allerdings sind sie ziemlich teuer und daher nicht geeignet für eine wirtschaftliche ortsgebundene Zwischenspeicherung in grossem Umfang.

Ausserdem ist Lithium auf der Erde verh?ltnism?ssig rar und schwierig zu gewinnen, ganz im Gegensatz zu Aluminium, Magnesium und Natrium. Batterien, die auf einem der letzteren drei Elemente beruhen, gelten daher als vielversprechende künftige M?glichkeit der ortsgebundenen Stromspeicherung. Solche Batterien werden jedoch erst erforscht und sind noch nicht im industriellen Einsatz.

Literaturhinweise

Walter M, Kravchyk KV, B?fer C, Widmer R, Kovalenko MV: Polypyrenes as High-Performance Cathode Materials for Aluminum Batteries. Advanced Materials 2018, 1705644, doi: externe Seite 10.1002/adma.201705644

Wang S, Kravchyk KV, Filippin AN, Müller U, Tiwari AN, Buecheler S, Bodnarchuk MI, Kovalenko MV: Aluminum Chloride‐Graphite Batteries with Flexible Current Collectors Prepared from Earth‐Abundant Elements. Advanced Science 2018, 1700712, doi: externe Seite 10.1002/advs.201700712

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