ETH Zürich / Energiewende Neue Materialien für nachhaltige Billig-Akkus

Die Forschenden stellten im Labor Aluminium-Knopfbatterien her. Das Batteriegehäuse ist aus Edelstahl, das innen mit Titannitrid beschichtet ist, um es korrosionsbeständig zu machen.
Die Forschenden stellten im Labor Aluminium-Knopfbatterien her. Das Batteriegehäuse ist aus Edelstahl, das innen mit Titannitrid beschichtet ist, um es korrosionsbeständig zu machen.

Für die Energiewende braucht es Technologien, um Strom aus erneuerbaren Energien kostengünstig zwischenzuspeichern. Mit Titannitrid und Polypyren haben Forscher der ETH Zürich und der Empa nun zwei Materialien gefunden, mit denen kostengünstige Aluminium-Akkus in greifbare Nähe rücken.

Die existierenden Lithium-Ionen-Batterien eignen sich wegen ihres geringen Gewichts zwar optimal für die Elektromobilität. Allerdings sind sie ziemlich teuer und daher ungeeignet für eine wirtschaftliche ortsgebundene Zwischenspeicherung in großem Umfang. Außerdem ist Lithium verhältnismäßig rar und schwierig zu gewinnen, ganz im Gegensatz zu Aluminium, Magnesium und Natrium. Wiederauflabare Batterien (Akkus), die auf einem der letzteren drei Elemente beruhen, gelten daher als vielversprechende künftige Möglichkeit der ortsgebundenen Stromspeicherung. Solche Batterien werden jedoch erst erforscht und sind noch nicht im industriellen Einsatz.

Zwar könnte Aluminium den Weg für kostengünstige wiederaufladbare Batterien bereiten, um damit erneuerbare Energie in großem Stil zu speichern. Doch weil die Elektrolytflüssigkeit von Aluminiumbatterien äußerst aggressiv ist und beispielsweise rostfreien Stahl (sowie auch Gold und Platin) angreift, sind Wissenschaftler auf der Suche nach korrosionsbeständigen Materialien für die leitenden Teile solcher Batterien.

Wissenschaftler von der ETH Zürich und der Empa um Maksym Kovalenko, Professor für anorganische Funktionsmaterialien, sind in Titannitrid, einem keramischen Material mit ausreichend hoher Leitfähigkeit, fündig geworden. »Diese Verbindung besteht aus den sehr häufig vorkommenden Elementen Titan und Stickstoff und lässt sich einfach herstellen«, erklärt Kovalenko.

Die Forscher konnten im Labor erfolgreich Aluminiumbatterien mit leitenden Teilen aus Titannitrid demonstrieren. Aus dem Material lassen sich auch dünne Filme herstellen, und es eignet sich zur Beschichtung anderer Materialien. Daher wäre es laut Kovalenko auch denkbar, die Leiter aus einem herkömmlichen Metall herzustellen und sie mit Titannitrid zu beschichten oder gar Titannitrid-Leiterbahnen auf Kunststoff zu drucken. »Die möglichen Anwendungen von Titannitrid bleiben dabei nicht auf Aluminiumbatterien beschränkt. Das Material könnte auch in anderen Batteriearten eingesetzt werden, zum Beispiel in solchen, die auf Magnesium oder Natrium basieren, oder in Hochspannungs-Lithiumionenbatterien«, so Kovalenko.

Polypyren statt Graphit

Das zweite neue Material verwendeten die Forscher für die positive Elektrode (Pluspol) von Aluminiumbatterien. Während 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 ähnlich viel Energie speichern lässt wie mit Graphit. Es handelt es sich um Polypyren, einen Kohlenwasserstoff mit kettenförmiger Molekülstruktur. Insbesondere Materialproben, in denen sich die Molekülketten ungeordnet zusammenlagerten, erwiesen sich in Experimenten als ideal. »Zwischen den Molekülketten bleibt viel Platz. Die verhältnismäßig großen Ionen der Elektrolytflüssigkeit können daher gut in das Elektrodenmaterial eindringen und es laden«, erklärt Kovalenko.

Zu den Vorteilen von Polypyren-haltigen Elektroden gehören, dass Wissenschaftler ihre Eigenschaften beeinflussen können, beispielsweise ihre Porosität. Das bietet die Möglichkeit, das Material optimal an die jeweiligen Anwendungen anzupassen. »Das bisher verwendete Graphit hingegen ist ein Mineral. Es lässt sich ingenieurtechnisch nicht verändern«, so Kovalenko.

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

Literaturhinweise

Walter M, Kravchyk KV, Böfer C, Widmer R, Kovalenko MV: Polypyrenes as High-Performance Cathode Materials for Aluminum Batteries. Advanced Materials 2018, 1705644, doi: 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: 10.1002/advs.201700712