Maßgeschneiderte Elektrochemie
Unordnung stabilisiert Batterien
Hochentropie-Oxide (HEO), die ihre Stabilität der ungeordneten Verteilung ihrer Elemente verdanken, verbessern die Speicherkapazität und Zyklenfestigkeit wiederaufladbarer Batterien erheblich, fanden Forscher des Karlsruher Institut für Technologie heraus.
Wissenschaftler um den Nanotechnologie-Experten Horst Hahn am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) fanden heraus, dass sich mit HEO elektrochemische Eigenschaften maßschneidern lassen. Der Nachweis der Eignung von HEO als Konversionsmaterialien zur reversiblen Lithiumspeicherung erfolgte in Kooperation mit der Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF) des KIT, des vom KIT in Kooperation mit der Universität Ulm gegründeten Helmholtz-Institutes Ulm (HIU) sowie dem Indian Institute of Technology Madras.
Konversionsbatterien, die auf elektrochemischer Materialumwandlung basieren, erlauben eine Erhöhung der gespeicherten Energiemenge bei gleichzeitiger Verringerung des Batteriegewichts. Mit HEO fertigten die Wissenschaftler konversionsbasierte Elektroden, die mehr als 500 Ladezyklen ohne signifikanten Kapazitätsverlust überstehen.
Die Forschungsgruppe „Nanostructured Materials“ um Professor Horst Hahn, Direktor des INT des KIT, gehört zu den Pionieren der Erforschung von Hochentropie-Oxiden (HEO). Entropiestabilisierte HEO sind komplexe Oxide, die fünf oder mehr verschiedene Metallkationen in gleicher Menge enthalten und eine einphasige Kristallstruktur aufweisen. Sie bilden trotz unterschiedlicher Kristallstrukturen der einzelnen Elemente ein gemeinsames Gitter, wobei sie sich ohne erkennbare Ordnung auf die Positionen im Kristall verteilen. Diese Unordnung – fachsprachlich als hohe Entropie bezeichnet – stabilisiert das Material, vermutlich unter anderem deshalb, weil sie das Wandern von Fehlern im Kristallgitter erschwert.
»Dank der hohen Stabilität, der Interaktionen zwischen den verschiedenen Metallkationen und der Vielzahl der denkbaren Elementkombinationen eröffnen HEO bisher ungeahnte neue Möglichkeiten«, erklärt Professor Horst Hahn. Die nun in Nature Communications präsentierte Studie konzentrierte sich auf HEO auf der Basis von Übergangsmetallen (transition-metal-based high entropy oxides – TM-HEO), die sich durch eine hohe Lithiumionen-Leitfähigkeit auszeichnen.
Mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersuchten die Forscher die Struktur der TM-HEO und ihren Einfluss auf die Konversionsreaktion und stellten fest, dass die Entfernung nur eines Elements die Entropie herabsetzt und die Zyklenfestigkeit verschlechtert. Jedes einzelne Element wirkt sich individuell auf das elektrochemische Verhalten der TM-HEO aus, sodass sich die Materialien für verschiedene Anforderungen maßschneidern lassen.
Dies eröffnet einen modularen Ansatz zur systematischen Entwicklung von Elektrodenmaterialien. »Unsere Studie hat gezeigt, dass entropiestabilisierte HEO sich deutlich von klassischen Konversionsmaterialien abheben“, erklärt Horst Hahn. „Um ihr volles Potenzial für Energiespeicheranwendungen zu erschließen, bedarf es allerdings weiterer Forschungsarbeiten.«
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